Linux 中的锁可以按照作用范围和实现机制分为以下几类：

1.1 按作用范围分类

进程级锁

用于协调不同进程之间的资源访问。

线程级锁

用于协调同一进程内不同线程之间的资源访问。

1.2 按实现机制分类

内核态锁

由内核直接实现，用于内核代码中的同步。

用户态锁

由用户空间程序实现，依赖内核提供的系统调用。

如下图

这篇文章主要讲的内核态的锁，内核态锁主要用于内核代码中的同步，防止多个 CPU 核心或中断上下文同时访问共享资源。

对于内核而言，任何一种锁机制都是需要解决多核通信问题的。对于除了RCU锁以外的其他锁而言，它们最低的开销也至少是一对原子访存指令，核心数越多，其原子访存开销也会跟着以O(N2)的级别增长。

一、自旋锁 (Spinlock)

工作原理：忙等待，循环检查锁状态，不会让出CPU

适用场景：

临界区很小（执行时间短）

中断上下文（不可睡眠）

多核系统

特点：

持有锁时不能睡眠

开销小，无上下文切换

可能导致CPU空转浪费

DEFINE_SPINLOCK(my_lock); spin_lock(&my_lock); // 临界区spin_unlock(&my_lock);

• 自旋锁只适用于临界区代码比较短的情况，因为自旋等待的过程会占用CPU资源。
• 自旋锁不可重入，也就是说，如果一个进程已经持有了自旋锁，那么它不能再次获取该自旋锁。
• 在持有自旋锁的情况下，应该尽量避免调用可能会导致调度的内核函数，比如睡眠函数，因为这可能会导致死锁的发生。
• 在使用自旋锁的时候，应该尽量避免嵌套使用不同类型的锁，比如自旋锁和读写锁，因为这可能会导致死锁的发生。
• 当临界区代码较长或者需要睡眠时，应该使用信号量或者读写锁来代替自旋锁。

二、互斥锁 (Mutex)

工作原理：阻塞等待，获取不到锁时任务睡眠

适用场景：

临界区可能较长

进程上下文（可睡眠）

特点：

可睡眠，会进行上下文切换

不可在中断上下文使用

支持优先级继承（防止优先级反转）

struct  mutex { raw_spinlock_t      wait_lock; struct list_head wait_list; struct task_struct  *owner; int                 recursion;#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC struct  lockdep_mapdep_map;#endif};

互斥锁的使用非常简单，通常只需要调用两个函数即可完成：

DEFINE_MUTEX(my_mutex); mutex_lock(&my_mutex); // 临界区 mutex_unlock(&my_mutex);

三、信号量 (Semaphore)

工作原理：计数信号量，允许多个任务同时访问

适用场景：

控制对多个资源的访问

生产者-消费者问题

特点：

计数机制（非0/1二元）

可睡眠，可用于进程间同步

有up()和down()操作

DECLARE_SEMAPHORE(my_sem, 5); // 初始值5down(&my_sem);     // P操作，减1// 访问资源 up(&my_sem);       // V操作，加1

四、读写信号量 (rwsem)

工作原理：读写锁，允许多个读者或单个写者

适用场景：

读多写少的共享数据

需要区分读写操作

特点：

读者可并发，写者互斥

读者优先或写者优先（可配置）

可睡眠

DECLARE_RWSEM(my_rwsem); down_read(&my_rwsem);    // 读者 // 读操作up_read(&my_rwsem); down_write(&my_rwsem);   // 写者 // 写操作 up_write(&my_rwsem);

五、完成变量 (Completion)

工作原理：用于一个任务等待另一个任务完成

适用场景：

等待异步操作完成

线程/模块初始化同步

特点：

简单的一次性同步机制

类似信号量但更轻量

DECLARE_COMPLETION(my_comp); // 等待方 wait_for_completion(&my_comp); // 完成方complete(&my_comp);

六、原子操作 (Atomic Operations)

工作原理：硬件级别的原子指令

适用场景：

简单的计数器操作

标志位设置/清除

不需要复杂锁的简单操作

特点：

无锁机制，性能高

只能用于整数或位操作

不可睡眠

atomic_t counter = ATOMIC_INIT(0); atomic_inc(&counter);      // 原子加1 atomic_dec(&counter);      // 原子减1atomic_read(&counter);     // 原子读

七、对比总结

八、选择建议

中断上下文 → 自旋锁 或 原子操作

短临界区（<µs级） → 自旋锁 或 原子操作

长临界区或可能睡眠 → 互斥锁

读多写少 → 读写锁/读写信号量

资源计数 → 信号量

简单标志/计数器 → 原子操作

等待任务完成 → 完成变量

九、使用注意事项

避免死锁：注意锁的获取顺序

防止优先级反转：互斥锁支持优先级继承

性能考量：锁的粒度要适中，避免过度保护

可重入性：某些锁不可重入（如自旋锁）

调试支持：内核提供lockdep等工具检测锁问题

举个生活中的例子

区别总结：

自旋锁和互斥锁都是互斥锁，但自旋锁忙等待，互斥锁睡眠等待。

信号量可以设置计数，实现多个任务同时访问，而互斥锁只能互斥。

读写信号量是信号量的变种，优化了读多写少的场景。

完成变量用于任务间的同步，而不是互斥。

原子操作是最轻量级的，但只能用于简单的变量操作。