内核系统调用的实现和互斥机制

本文转载自微信公众号「编程杂技」，作者theanarkh。转载本文请联系编程杂技公众号。

有感于最近在知乎看到了两个问题，分享一下对内核系统调用的实现和互斥机制的认识。

下面是这两个问题：

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

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

系统调用的实现

两个问题分别是问了TCP/IP协议和epoll的实现中，内核是否使用了多线程。这个问题的角度挺有意思的，内核虽然在内部使用进程/线程实现了某些功能(比如pdflush线程定时回写硬盘、kswapd进程周期回收内存、处理工作队列的线程)。但是系统调用的实现中，是不涉及多线程的概念的。

操作系统本质上是对底层的资源进行管理并封装了底层的能力，对上层提供服务。这种服务好比是实现了一个排序算法，但是是否使用多线程，这个是由上层决定的，内核本身不会在底层实现多线程排序这种能力。

互斥机制

但是因为在多核的情况下，多个CPU上会执行多个线程，如果多个线程同时请求内核访问同一个内核数据结构，那么就会引起竞态情况。所以内核需要实现访问资源的互斥机制。这样才能保证多个CPU中同时只有一个CPU会操作共享的数据结构。比如自旋锁，保证多个CPU只有其中一个CPU拿到这个锁，然后操作共享的数据。另外，内核还实现了原子操作，比如内核里提供的atomic原子操作，可以对整形变量进行原子性操作，其具体实现原理根据CPU架构而不同，比如i386 CPU提供了Lock指令，保证同时只有一个CPU可以锁住总线，对内存进行互斥访问，下面是i386原子操作的实现。

static __inline__ void atomic_add(int i, atomic_t *v) 
{ 
  __asm__ __volatile__( 
    LOCK "addl %1,%0" 
    // 输出到v->counter所在内存 
    :"=m" (v->counter) 
    // %1和0%对应下面两个值，i是整形，随便存到一个寄存器，m表示表示从v->counter的内存读取 
    :"ir" (i), "m" (v->counter)); 
} 

如果单核的情况下，非抢占式的则不需要这种机制，因为在执行系统调用的时候，进程调度器是不会调度其他进程执行的，这就保证了系统调用的原子性。如果在抢占式模式下并且支持在执行系统调用时被抢占，那么还是需要互斥和原子机制的，总而言之，存在竞态情况的，都需要保证共享数据的互斥访问。

内核实现的功能虽然没有使用多线程，但是通常底层是多核，上层是使用多进程/多线程的，所以内核为了保证互斥访问共享数据，需要实现一些原子操作和互斥机制。