[[403398]]

本文轉載自微信公眾號「編程雜技」，作者theanarkh。轉載本文請聯系編程雜技公眾號。

有感于最近在知乎看到了兩個問題，分享一下對內核系統調用的實現和互斥機制的認識。

下面是這兩個問題：

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

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

系統調用的實現

兩個問題分別是問了TCP/IP協議和epoll的實現中，內核是否使用了多線程。這個問題的角度挺有意思的，內核雖然在內部使用進程/線程實現了某些功能(比如pdflush線程定時回寫硬盤、kswapd進程周期回收內存、處理工作隊列的線程)。但是系統調用的實現中，是不涉及多線程的概念的。

操作系統本質上是對底層的資源進行管理并封裝了底層的能力，對上層提供服務。這種服務好比是實現了一個排序算法，但是是否使用多線程，這個是由上層決定的，內核本身不會在底層實現多線程排序這種能力。

互斥機制

但是因為在多核的情況下，多個CPU上會執行多個線程，如果多個線程同時請求內核訪問同一個內核數據結構，那么就會引起競態情況。所以內核需要實現訪問資源的互斥機制。這樣才能保證多個CPU中同時只有一個CPU會操作共享的數據結構。比如自旋鎖，保證多個CPU只有其中一個CPU拿到這個鎖，然后操作共享的數據。另外，內核還實現了原子操作，比如內核里提供的atomic原子操作，可以對整形變量進行原子性操作，其具體實現原理根據CPU架構而不同，比如i386 CPU提供了Lock指令，保證同時只有一個CPU可以鎖住總線，對內存進行互斥訪問，下面是i386原子操作的實現。

static __inline__ void atomic_add(int i, atomic_t *v) 
{ 
  __asm__ __volatile__( 
    LOCK "addl %1,%0" 
    // 輸出到v->counter所在內存 
    :"=m" (v->counter) 
    // %1和0%對應下面兩個值，i是整形，隨便存到一個寄存器，m表示表示從v->counter的內存讀取 
    :"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制，因為在執行系統調用的時候，進程調度器是不會調度其他進程執行的，這就保證了系統調用的原子性。如果在搶占式模式下并且支持在執行系統調用時被搶占，那么還是需要互斥和原子機制的，總而言之，存在競態情況的，都需要保證共享數據的互斥訪問。

內核實現的功能雖然沒有使用多線程，但是通常底層是多核，上層是使用多進程/多線程的，所以內核為了保證互斥訪問共享數據，需要實現一些原子操作和互斥機制。