Linux内核与驱动面试经典“小”问题集锦（2）

接前一篇文章：Linux内核与驱动面试经典“小”问题集锦（1）

问题2

问：spin_lock和spin_lock_irq以及spin_lock_irqsave的区别是什么？也可以说它们之间有什么区别和联系？

备注：此题是自旋锁问题的进一步问题，一般都是在前边你回答出Linux内核的锁机制之后（上一回的问题1，参见Linux内核与驱动面试经典“小”问题集锦（1））的进一步提问、追问。这个问题在蔚来、比特大陆以及其它一些公司面试时问到过。

答：

spin_lock()/spin_unlock()是自旋锁机制的基础，其与关中断local_irq_disable()/开中断local_irq_enable()、关中断并保存状态字local_irq_save()/开中断并恢复状态字local_irq_restore()、关底半部local_bh_disable()/开底半部local_bh_enable()形成了整套自旋锁机制。其相互之间的关系如下：

• spin_lock与spin_lock_irq的关系

spin_lock_irq() = spin_lock() + local_irq_disable()

即spin_lock_irq()是spin_lock()的同时关中断。与之相对应，

spin_unlock_irq() = spin_unlock() + local_irq_enable()

即spin_unlock_irq()是spin_unlock()的同时开中断。

• spin_lock与spin_lock_irqsave的关系

spin_lock_irqsave() = spin_lock() + local_irq_save()

即spin_lock_irqsave()是spin_lock()的同时关中断并保存状态字。与之相对应，

spin_unlock_irqrestore() = spin_unlock() + local_irq_restore()

即spin_unlock_irqrestore()是spin_unlock()的同时开中断并恢复状态字。

• spin_lock与spin_lock_bh的关系

spin_lock_bh() = spin_lock() + local_bh_disable()

即spin_lock_bh()是spin_lock()的同时关底半部。与之相对应，

spin_unlock_bh() = spin_unlock() + local_bh_enable()

即spin_unlock_bh()是spin_unlock()的同时开底半部。

spin_lock_irq()、spin_lock_irqsave()、spin_lock_bh()类似函数会为自旋锁的使用“系好安全带”，以避免突如其来的中断驶入对系统造成的伤害。

问题3

问：中断中应该使用自旋锁还是信号量或互斥锁？

备注：这个问题在百度、蔚来以及其它一些公司面试时问到过。

答：

自旋锁是专为防止多处理器并发而引入的一种锁，它在内核中大量应用于中断处理等部分。自旋锁最多只能被一个内核任务持有。在单处理器上，自旋锁仅仅当作一个设置内核抢占的开关，内核不能被抢占。

信号量是一种睡眠锁。如果有一个任务试图获得一个已被持有的信号量时，信号量会将其推入等待队列，然后让其睡眠；当持有信号量的进程将信号量释放后，在等待队列中的一个任务将被唤醒，从而便可以获得这个信号量。信号量不同于自旋锁，它不会关闭内核抢占，所以持有信号量的代码可以被抢占。信号量只能在进程上下文中使用，因为中断上下文中是不能被调度的（即在中断上下文中释放时不能进行进程切换）。

综上，由于在中断中不能被调度，并且中断处理函数是不可重入的，因此中断中应该选择自旋锁而非信号量或互斥锁等。

额外：

这里要多说一点。如果做出上述回答后，面试官继续追问：为什么中断中不能休眠或进行调度？则原因如下：

（1）中断处理的时候不应该发生进程切换，因为在中断上下文中，唯一能打断当前中断handler的只有更高优先级的中断，它不会被进程打断。如果在中断上下文中休眠，则没有办法唤醒它，因为所有的wake_up_xxx都是针对某个进程而言的，而在中断上下文中，没有进程（task_struct）的概念，因此如果真的休眠，则内核几乎肯定会死。

（2）schedule()在切换进程时，保存当前的进程上下文（CPU寄存器的值、进程的状态以及堆栈中的内容），以便以后恢复此进程运行。中断发生后，内核会先保存当前被中断的进程上下文（在调用中断处理程序后恢复）。但在中断处理程序里，CPU寄存器的定已经变化了吧（最重要的程序计数器PC、堆栈SP等），如果此时因为睡眠或阻塞操作调用了schedule()，则保存的进程上下文就不是当前的进程上下文了。所以不可以在中断处理程序中调用schedule()以及引发schedule()的操作。

参考资料：

《Linux设备驱动开发详解 —— 基于最新的Linux 4.0内核》 宋宝华 编著，机械工业出版社

信号量和自旋锁的选择

为什么中断不能睡眠