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有感于最近在知乎看到了兩個(gè)問題，分享一下對(duì)內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)和互斥機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

下面是這兩個(gè)問題：

https://www.zhihu.com/question/462048846/answer/1919407185

https://www.zhihu.com/question/460985657/answer/1912146181

系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)

兩個(gè)問題分別是問了TCP/IP協(xié)議和epoll的實(shí)現(xiàn)中，內(nèi)核是否使用了多線程。這個(gè)問題的角度挺有意思的，內(nèi)核雖然在內(nèi)部使用進(jìn)程/線程實(shí)現(xiàn)了某些功能(比如pdflush線程定時(shí)回寫硬盤、kswapd進(jìn)程周期回收內(nèi)存、處理工作隊(duì)列的線程)。但是系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)中，是不涉及多線程的概念的。

操作系統(tǒng)本質(zhì)上是對(duì)底層的資源進(jìn)行管理并封裝了底層的能力，對(duì)上層提供服務(wù)。這種服務(wù)好比是實(shí)現(xiàn)了一個(gè)排序算法，但是是否使用多線程，這個(gè)是由上層決定的，內(nèi)核本身不會(huì)在底層實(shí)現(xiàn)多線程排序這種能力。

互斥機(jī)制

但是因?yàn)樵诙嗪说那闆r下，多個(gè)CPU上會(huì)執(zhí)行多個(gè)線程，如果多個(gè)線程同時(shí)請(qǐng)求內(nèi)核訪問同一個(gè)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么就會(huì)引起競(jìng)態(tài)情況。所以內(nèi)核需要實(shí)現(xiàn)訪問資源的互斥機(jī)制。這樣才能保證多個(gè)CPU中同時(shí)只有一個(gè)CPU會(huì)操作共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。比如自旋鎖，保證多個(gè)CPU只有其中一個(gè)CPU拿到這個(gè)鎖，然后操作共享的數(shù)據(jù)。另外，內(nèi)核還實(shí)現(xiàn)了原子操作，比如內(nèi)核里提供的atomic原子操作，可以對(duì)整形變量進(jìn)行原子性操作，其具體實(shí)現(xiàn)原理根據(jù)CPU架構(gòu)而不同，比如i386 CPU提供了Lock指令，保證同時(shí)只有一個(gè)CPU可以鎖住總線，對(duì)內(nèi)存進(jìn)行互斥訪問，下面是i386原子操作的實(shí)現(xiàn)。

static __inline__ void atomic_add(int i, atomic_t *v) 
{ 
  __asm__ __volatile__( 
    LOCK "addl %1,%0" 
    // 輸出到v->counter所在內(nèi)存 
    :"=m" (v->counter) 
    // %1和0%對(duì)應(yīng)下面兩個(gè)值，i是整形，隨便存到一個(gè)寄存器，m表示表示從v->counter的內(nèi)存讀取 
    :"ir" (i), "m" (v->counter)); 
} 

如果單核的情況下，非搶占式的則不需要這種機(jī)制，因?yàn)樵趫?zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候，進(jìn)程調(diào)度器是不會(huì)調(diào)度其他進(jìn)程執(zhí)行的，這就保證了系統(tǒng)調(diào)用的原子性。如果在搶占式模式下并且支持在執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)被搶占，那么還是需要互斥和原子機(jī)制的，總而言之，存在競(jìng)態(tài)情況的，都需要保證共享數(shù)據(jù)的互斥訪問。

內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的功能雖然沒有使用多線程，但是通常底層是多核，上層是使用多進(jìn)程/多線程的，所以內(nèi)核為了保證互斥訪問共享數(shù)據(jù)，需要實(shí)現(xiàn)一些原子操作和互斥機(jī)制。