linux中大内核锁、互斥锁、信号量、完成变量、自旋锁区别
大内核锁（BKL）、互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）、完成变量（Completion） 和 自旋锁（Spinlock） 的详细对比，从特性、用途、优缺点等角度展开分析：
1. 核心特性对比
| 特性 | 大内核锁（BKL） | 互斥锁（Mutex） | 信号量（Semaphore） | 完成变量（Completion） | 自旋锁（Spinlock） |
|---|---|---|---|---|---|
| 保护范围 | 全局锁，用于保护整个内核 | 单一临界区 | 单一或多个资源 | 特定同步点 | 单一临界区 |
| 等待机制 | 阻塞等待 | 阻塞等待 | 阻塞等待 | 阻塞等待 | 忙等待（Busy Waiting） |
| 适用场景 | 内核大范围同步 | 用户态或内核态简单同步 | 多资源控制，复杂同步 | 等待某些事件完成后继续运行 | 临界区短、实时性高的同步场景 |
| 上下文切换 | 是 | 是 | 是 | 是 | 否 |
| 中断上下文支持 | 否 | 否 | 否 | 否 | 是（如 spin_lock_irqsave） |
| 嵌套锁支持 | 不建议嵌套 | 可嵌套（有递归锁支持） | 可嵌套 | 不适合嵌套 | 不适合嵌套 |
| 是否线程安全 | 是 | 是 | 是 | 是 | 是 |
2. 优缺点对比
| 类型 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 大内核锁（BKL） | - 实现简单。 - 在早期单核系统中可用性高。 | - 粒度太粗，导致性能瓶颈，无法适应多核环境。 |
| 互斥锁（Mutex） | - 允许任务睡眠，节省 CPU 资源。 - 支持递归锁，适合复杂场景。 | - 不适合中断上下文。 - 可能造成死锁，需要正确管理锁的释放。 |
| 信号量（Semaphore） | - 控制多资源访问，灵活性高。 - 支持线程间、进程间同步。 | - 复杂度较高，容易导致资源泄露（如忘记释放信号量）。 |
| 完成变量（Completion） | - 适合等待异步事件完成。 - 实现简单，针对性强。 | - 功能单一，只适用于特定同步场景。 |
| 自旋锁（Spinlock） | - 实时性好，适合短临界区。 - 可用于中断上下文。 - 避免上下文切换的开销。 | - 忙等待可能浪费 CPU 时间。 - 不适合长时间持锁，会导致性能下降。 |
3. 使用场景
| 场景 | 推荐锁类型 | 理由 |
|---|---|---|
| 简单同步，临界区短 | 自旋锁（Spinlock） | 避免上下文切换，提供高实时性，适合短时间内访问共享资源。 |
| 复杂同步，允许挂起 | 互斥锁（Mutex）或信号量（Semaphore） | 互斥锁适合单资源同步，信号量适合控制多个资源访问。 |
| 中断上下文或中断处理函数 | 自旋锁（Spinlock） | 自旋锁支持中断上下文，而其他锁不支持。 |
| 等待异步事件完成 | 完成变量（Completion） | 直接调用 wait_for_completion()，直到事件完成，代码逻辑清晰简单。 |
| 简单资源计数（如线程池资源） | 信号量（Semaphore） | 适用于多资源计数同步，减少同步逻辑的复杂度。 |
| 全局同步，代码老旧 | 大内核锁（BKL） | 在老旧代码中（如 Linux 2.4），可以用 BKL，但已经逐步淘汰，不推荐新开发使用。 |
4. 特殊机制
大内核锁（BKL）：
- 是一种全局锁，用于保护整个内核的共享数据，锁粒度较大。
- 在早期 Linux 内核中（如 2.4 版本），BKL 是同步的主要方式，但在多核系统中表现不佳。
- 从 Linux 2.6 开始逐步被替代，目前已完全移除。
互斥锁（Mutex）：
- 锁拥有者有线程所有权，只有加锁的线程可以解锁。
- 支持阻塞等待，任务睡眠时可以让出 CPU。
- 提供递归锁（Recursive Mutex），允许同一线程多次加锁。
信号量（Semaphore）：
- 计数信号量可以控制多个线程同时访问资源。
- 适合线程或进程间同步，如生产者-消费者问题。
- 支持阻塞等待，但需要小心避免死锁或信号量泄露。
完成变量（Completion）：
- 常用于等待硬件或异步操作完成。
- 提供简单的 API，如
complete()和wait_for_completion()，易于使用。 - 功能较单一，仅适合同步某些特定的完成事件。
自旋锁（Spinlock）：
- 使用忙等待，锁竞争时不会触发任务调度。
- 可用于中断上下文，如
spin_lock_irqsave()会禁用中断。 - 不适合长时间持锁，否则会浪费 CPU 时间。
5. 锁的开销和性能
| 锁类型 | 上下文切换开销 | 加锁/解锁时间 | 资源利用率 | 适用复杂度 |
|---|---|---|---|---|
| 大内核锁（BKL） | 高 | 快 | 低（全局锁） | 低 |
| 互斥锁（Mutex） | 中 | 中 | 高（任务可睡眠） | 中等 |
| 信号量（Semaphore） | 中 | 中 | 中（多资源管理能力强） | 高 |
| 完成变量（Completion） | 中 | 快 | 高（同步事件完成） | 低 |
| 自旋锁（Spinlock） | 无 | 快 | 中（短临界区资源利用率高） | 中等 |
6. 总结
| 类型 | 适用场景 |
|---|---|
| 大内核锁（BKL） | 老旧代码或非常简单的同步需求，不推荐用于现代开发。 |
| 互斥锁（Mutex） | 临界区复杂、锁持有时间长、允许任务挂起的场景，如文件系统、用户态与内核态同步。 |
| 信号量（Semaphore） | 资源控制复杂（如线程池、生产者-消费者模型）或需要多资源共享的场景。 |
| 完成变量（Completion） | 等待特定事件（如硬件操作或异步任务完成）时使用，提供高效的同步机制。 |
| 自旋锁（Spinlock） | 高实时性、短临界区的同步场景，尤其是在中断上下文或多核系统中。 |
通过合理选择锁类型，可以提升系统性能，降低同步复杂度。