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Dongliang Mu
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引言
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这是本章的第四部分 [chapter](https://xinqiu.gitbooks.io/linux-insides-cn/content/SyncPrim/index.html) ，本章描述了内核中的同步原语，且在之前的部分我们介绍完了 [自旋锁](https://en.wikipedia.org/wiki/Spinlock) 和 [信号量](https://en.wikipedia.org/wiki/Semaphore_%28programming%29) 两种不同的同步原语。我们将在这个章节持续学习 [同步原语](https://en.wikipedia.org/wiki/Synchronization_%28computer_science%29)，并考虑另一简称 [互斥锁 (mutex)](https://en.wikipedia.org/wiki/Mutual_exclusion) 的同步原语，全名 `MUTual EXclusion`。
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这是本章的第四部分 [chapter](/SyncPrim/index.html) ，本章描述了内核中的同步原语，且在之前的部分我们介绍完了 [自旋锁](https://en.wikipedia.org/wiki/Spinlock) 和 [信号量](https://en.wikipedia.org/wiki/Semaphore_%28programming%29) 两种不同的同步原语。我们将在这个章节持续学习 [同步原语](https://en.wikipedia.org/wiki/Synchronization_%28computer_science%29)，并考虑另一简称 [互斥锁 (mutex)](https://en.wikipedia.org/wiki/Mutual_exclusion) 的同步原语，全名 `MUTual EXclusion`。
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与 [本书](https://xinqiu.gitbooks.io/linux-insides-cn/content) 前面所有章节一样，我们将先尝试从理论面来探究此同步原语，在此基础上再探究Linux内核所提供用来操作 `互斥锁` 的 [API](https://en.wikipedia.org/wiki/Application_programming_interface)。
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与 [本书](/) 前面所有章节一样，我们将先尝试从理论面来探究此同步原语，在此基础上再探究Linux内核所提供用来操作 `互斥锁` 的 [API](https://en.wikipedia.org/wiki/Application_programming_interface)。
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让我们开始吧。
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`互斥锁` 的概念
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从前一 [部分](https://xinqiu.gitbooks.io/linux-insides-cn/content/SyncPrim/linux-sync-3.html)，我们已经很熟悉同步原语 [信号量](https://en.wikipedia.org/wiki/Semaphore_%28programming%29)。其表示为：
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从前一 [部分](/SyncPrim/linux-sync-3.html)，我们已经很熟悉同步原语 [信号量](https://en.wikipedia.org/wiki/Semaphore_%28programming%29)。其表示为：
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```C
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struct semaphore {
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@@ -78,7 +77,7 @@ struct mutex_waiter {
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};
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```
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此结构定义在[include/linux/mutex.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/mutex.h) 头文件，且使用上可能会被睡眠。在研究Linux内核提供用来操作 `互斥锁` 的 [API](https://en.wikipedia.org/wiki/Application_programming_interface) 前，让我们先研究 `mutex_waiter` 结构。如果你有阅读此章节的 [前一部分](https://xinqiu.gitbooks.io/linux-insides-cn/content/SyncPrim/linux-sync-3.html)，你可以能会注意到 `mutex_waiter` 结构与 [kernel/locking/semaphore.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/kernel/locking/semaphore.c) 源代码中的 `semaphore_waiter` 结构相似：
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此结构定义在[include/linux/mutex.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/mutex.h) 头文件，且使用上可能会被睡眠。在研究Linux内核提供用来操作 `互斥锁` 的 [API](https://en.wikipedia.org/wiki/Application_programming_interface) 前，让我们先研究 `mutex_waiter` 结构。如果你有阅读此章节的 [前一部分](/SyncPrim/linux-sync-3.md)，你可以能会注意到 `mutex_waiter` 结构与 [kernel/locking/semaphore.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/kernel/locking/semaphore.c) 源代码中的 `semaphore_waiter` 结构相似：
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```C
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struct semaphore_waiter {
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@@ -115,7 +114,7 @@ struct semaphore_waiter {
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}
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```
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这个宏被定义在 [相同的](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/mutex.h) 头文件，并且我们可以了解到它初始化了 `mutex` 解构体中的字段。`count` 被初始化为 `1` ，这代表该互斥锁状态为 `无锁` 。`wait_lock` [自旋锁](https://en.wikipedia.org/wiki/Spinlock) 被初始化为无锁状态，而最后的栏位 `wait_list` 被初始化为空的 [双向列表](https://xinqiu.gitbooks.io/linux-insides-cn/content/DataStructures/linux-datastructures-1.html)。
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这个宏被定义在 [相同的](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/mutex.h) 头文件，并且我们可以了解到它初始化了 `mutex` 解构体中的字段。`count` 被初始化为 `1` ，这代表该互斥锁状态为 `无锁` 。`wait_lock` [自旋锁](https://en.wikipedia.org/wiki/Spinlock) 被初始化为无锁状态，而最后的栏位 `wait_list` 被初始化为空的 [双向列表](/DataStructures/linux-datastructures-1.md)。
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第二种做法允许我们动态初始化一个 `互斥锁`。为此我们需要调用在 [kernel/locking/mutex.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/kernel/locking/mutex.c) 源码文件的 `__mutex_init` 函数。事实上，大家很少直接调用 `__mutex_init` 函数。取而代之，我们使用下面的 `mutex_init` :
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@@ -160,7 +159,7 @@ static inline bool osq_is_locked(struct optimistic_spin_queue *lock)
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}
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```
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在 `__mutex_init` 函数的结尾阶段，我们可以看到它调用了 `debug_mutex_init` 函数，不过就如同我在此 [章节](https://xinqiu.gitbooks.io/linux-insides-cn/content/SyncPrim/) 前面提到的那样，我们并不会在此章节讨论调试相关的内容。
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在 `__mutex_init` 函数的结尾阶段，我们可以看到它调用了 `debug_mutex_init` 函数，不过就如同我在此 [章节](/SyncPrim/) 前面提到的那样，我们并不会在此章节讨论调试相关的内容。
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在 `互斥锁` 结构被初始化后，我们可以继续研究 `互斥锁` 同步原语的 `上锁` 和 `解锁` API。`mutex_lock` 和 `mutex_unlock` 函数的实现位于 [kernel/locking/mutex.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/kernel/locking/mutex.c) 源码文件。首先，让我们从 `mutex_lock` 的实现开始吧。代码如下:
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@@ -177,7 +176,7 @@ void __sched mutex_lock(struct mutex *lock)
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在 `might_sleep` 宏之后，我们可以看到 `__mutex_fastpath_lock` 函数被调用。此函数是体系结构相关的，并且因为我们此书探讨的是 [x86_64](https://en.wikipedia.org/wiki/X86-64) 体系结构， \ `__mutex_fastpath_lock` 的实现部分位于 [arch/x86/include/asm/mutex_64.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/include/asm/mutex_64.h) 头文件。正如我们从`__mutex_fastpath_lock` 函数名称可以理解的那样，此函数将尝试通过 fast path 试图获取一个锁，或者换句话说此函数试图递减一个给定互斥锁的 `count` 字段。
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`__mutex_fastpath_lock` 函数的实现由两部分组成。第一部分是 [内联汇编](https://xinqiu.gitbooks.io/linux-insides-cn/content/Theory/linux-theory-3.html) 。让我们看看:
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`__mutex_fastpath_lock` 函数的实现由两部分组成。第一部分是 [内联汇编](/Theory/linux-theory-3.md) 。让我们看看:
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```C
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asm_volatile_goto(LOCK_PREFIX " decl %0\n"
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@@ -403,7 +402,7 @@ if (!list_empty(&lock->wait_list)) {
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* `mutex_lock_killable`;
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* `mutex_trylock`.
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以及对应相同前缀的 `unlock` 函数. 我们就不在此解释这些 `API` 了, 因为他们跟 `信号量` 所提供的 `API` 类似。你可以通过阅读 [前一部分](https://xinqiu.gitbooks.io/linux-insides-cn/content/SyncPrim/linux-sync-3.html) 来了解更多。
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以及对应相同前缀的 `unlock` 函数. 我们就不在此解释这些 `API` 了, 因为他们跟 `信号量` 所提供的 `API` 类似。你可以通过阅读 [前一部分](/SyncPrim/linux-sync-3.md) 来了解更多。
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总结
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@@ -427,12 +426,12 @@ if (!list_empty(&lock->wait_list)) {
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* [lock validator](https://www.kernel.org/doc/Documentation/locking/lockdep-design.txt)
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* [Atomic](https://en.wikipedia.org/wiki/Linearizability)
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* [MCS lock](http://www.cs.rochester.edu/~scott/papers/1991_TOCS_synch.pdf)
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* [Doubly linked list](https://xinqiu.gitbooks.io/linux-insides-cn/content/DataStructures/linux-datastructures-1.html)
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* [Doubly linked list](/DataStructures/linux-datastructures-1.md)
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* [x86_64](https://en.wikipedia.org/wiki/X86-64)
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* [Inline assembly](https://xinqiu.gitbooks.io/linux-insides-cn/content/Theory/linux-theory-3.html)
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* [Inline assembly](/Theory/linux-theory-3.md)
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* [Memory barrier](https://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier)
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* [Lock instruction](http://x86.renejeschke.de/html/file_module_x86_id_159.html)
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* [JNS instruction](http://unixwiz.net/techtips/x86-jumps.html)
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* [preemption](https://en.wikipedia.org/wiki/Preemption_%28computing%29)
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* [Unix signals](https://en.wikipedia.org/wiki/Unix_signal)
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* [Previous part](https://xinqiu.gitbooks.io/linux-insides-cn/content/SyncPrim/linux-sync-3.html)
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* [Previous part](/SyncPrim/linux-sync-3.md)
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