LINUX自旋锁详解

Bertha 。 2022-03-20 09:11 554阅读 0赞

加锁（locking）是一种广泛应用的同步技术。当内核控制路径必须访问共享数据结构或进入临界区时，就需要为自己获取一把“锁”。由锁机制保护的资源非常类似于限制于房间内的资源，当某人进入房间时，就把门锁上。如果内核控制路径希望访问资源，就试图获取钥匙“打开门”。当且仅当资源空闲时，它才能成功。然后，只要它还想使用这个资源，门就依然锁着。当内核控制路径释放了锁时，门就打开，另一个内核控制路径就可以进入房间。  
  
下图显示了锁的使用。5个内核控制路径（P0，PI，P2，P3和P4）试图访问两个临界区（C1和C2）。内核控制路径P0正在C1中，而P2和P4正等待进人C1。同时，P1正在C2中，而P3正在等待进入C2。注意P0和P1可以并行运行。临界区C3的锁现在打开着，因为没有内核控制路径需要进人C3。

![0_1274184015NC2q.gif][]

Linux锁的应用之一在多处理器环境中，取名叫[自旋锁][Link 1]（spin lock）。如果内核控制路径发现自旋锁“开着”，就获取锁并继续自己的执行。相反，如果内核控制路径发现锁由运行在另一个[CPU][]上的内核控制路径“锁着”，就在周围“旋转”，反复执行一条紧凑的循环指令，直到锁被释放。  
  
自旋锁的循环指令表示“忙等”。即使等待的内核控制路径无事可做（除了浪费时间），它也在CPU上保持运行。不过，自旋锁通常非常方便，因为很多内核资源只锁1毫秒的时间片段；所以说，等待自旋锁的释放不会消耗太多CPU的时间。  
  
一般来说，由自旋锁所保护的每个临界区都是禁止内核抢占的。在单处理器系统上，这种锁本身并不起锁的作用，自旋锁技术仅仅是用来禁止或启用内核抢占。请注意，在自旋锁忙等期间，因为并没有进入临界区，所以内核抢占还是有效的，因此，等待自旋锁释放的进程有可能被更高优先级的所取代。这种设计是合理的，因为不能因为占用CPU太久而使系统死锁。

在Linux中，每个自旋锁都用spinlock\_t结构表示：

typedef struct {
             raw_spinlock_t raw_lock;#if defined(CONFIG_PREEMPT) && defined(CONFIG_SMP)    unsigned int break_lock;#endif#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK    unsigned int magic, owner_cpu;    void *owner;#endif#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC    struct lockdep_map dep_map;#endif} spinlock_t;typedef struct {
             volatile unsigned int slock;} raw_spinlock_t;

其中包含两个重要的字段意义如下：  
  
slock：该字段表示自旋锁的状态：值为1表示“未加锁”状态，而任何负数和0都表示“加锁”状态。  
break\_lock：表示进程正在忙等自旋锁（只在内核支持SMP和内核抢占的情况下使用该标志）。  
  
内核提供六个宏用于初始化、测试及设置自旋锁。所有这些宏都是基于原子操作的，这样可以保证即使有多个运行在不同CPU上的进程试图同时修改自旋锁，自旋锁也能够被正确地更新。

1、spin\_lock\_init —— 初始化自旋锁，并把自旋锁的lock->raw\_lock置为1（未锁）

# define spin_lock_init(lock)                    /do {                                /    static struct lock_class_key __key;            /                                /    __spin_lock_init((lock), #lock, &__key);        /} while (0)void __spin_lock_init(spinlock_t *lock, const char *name,              struct lock_class_key *key){
        #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC    /*     * Make sure we are not reinitializing a held lock:     */    debug_check_no_locks_freed((void *)lock, sizeof(*lock));    lockdep_init_map(&lock->dep_map, name, key, 0);#endif    lock->raw_lock = (raw_spinlock_t)__RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED;     lock->magic = SPINLOCK_MAGIC;    lock->owner = SPINLOCK_OWNER_INIT;    lock->owner_cpu = -1;}#define __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED    { 1 } #define SPINLOCK_MAGIC        0xdead4ead#define SPINLOCK_OWNER_INIT    ((void *)-1L)

2、spin\_unlock —— 把自旋锁置为1（未锁）

#if defined(CONFIG_DEBUG_SPINLOCK) || defined(CONFIG_PREEMPT) || /    !defined(CONFIG_SMP)# define spin_unlock(lock)        _spin_unlock(lock)#else //我们还是重点关注后面的吧# define spin_unlock(lock)        __raw_spin_unlock(&(lock)->raw_lock)#endif void __lockfunc _spin_unlock(spinlock_t *lock){    spin_release(&lock->dep_map, 1, _RET_IP_);    _raw_spin_unlock(lock);    preempt_enable();}# define _raw_spin_unlock(lock)        __raw_spin_unlock(&(lock)->raw_lock)static inline void __raw_spin_unlock(raw_spinlock_t *lock){    __asm__ __volatile__(        __raw_spin_unlock_string    );}#define __raw_spin_unlock_string /    "movb $1,%0" /        :"+m" (lock->slock) : : "memory"

spin\_unlock宏释放以前获得的自旋锁，上面的代码本质上执行下列汇编语言指令：  
movb $1, slp->slock  
并在随后调用preempt\_enable()（如果不支持内核抢占，preempt\_enable()什么都做）。注意，因为现在的80x86微处理器总是原子地执行内存中的只写访问，所以不用lock字节。  
  
3、spin\_unlock\_wait —— 等待，直到自旋锁变为1（未锁）

#define spin_unlock_wait(lock)    __raw_spin_unlock_wait(&(lock)->raw_lock)#define __raw_spin_unlock_wait(lock) /    do { while (__raw_spin_is_locked(lock)) cpu_relax(); } while (0)#define __raw_spin_is_locked(x) /        (*(volatile signed char *)(&(x)->slock) <= 0) //如果大于0则为真，表示未锁，则跳出while循环#define cpu_relax()    rep_nop() //在循环中执行一条空指令：static inline void rep_nop(void){    __asm__ __volatile__("rep;nop": : :"memory");}

4、spin\_is\_locked( ) —— 如果自旋锁被置为1（未锁），返回0；否则，返回1

#define spin_is_locked(lock)    __raw_spin_is_locked(&(lock)->raw_lock)#define __raw_spin_is_locked(x) /        (*(volatile signed char *)(&(x)->slock) <= 0)

5、spin\_trylock( ) —— 把自旋锁置为0（锁上），如果原来锁的值是1，则返回1；否则，返回0

#define spin_trylock(lock)        __cond_lock(_spin_trylock(lock))int __lockfunc _spin_trylock(spinlock_t *lock){    preempt_disable();    if (_raw_spin_trylock(lock)) {        spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 1, _RET_IP_);        return 1;    }        preempt_enable();    return 0;}

6、spin\_lock —— 加锁：循环，直到自旋锁变为1（未锁），然后，把自旋锁置为0（锁上）

spin\_lock是最重要的一个宏。首先，我们看到在include/spinlock.h头文件里，有：

#if defined(CONFIG_SMP) || defined(CONFIG_DEBUG_SPINLOCK)# include <linux/spinlock_api_smp.h>  //多处理器情况#else# include <linux/spinlock_api_up.h>   //单处理器情况#endif#define spin_lock(lock)            _spin_lock(lock)#ifdef __LINUX_SPINLOCK_API_UP_H   #define _spin_lock(lock)            __LOCK(lock)   //单处理器情况 #else

注意，该代码上边有一句\#if !defined(CONFIG\_PREEMPT) || !defined(CONFIG\_SMP) || /  
defined(CONFIG\_DEBUG\_LOCK\_ALLOC)  
别去管它，因为上边的英文注释写得很清楚了，这句代码的意思是即使没有定义内核抢占或SMP，或者是自旋锁调试，只要lockdep激活了，也就是我们在刚才spinlock\_t定义的那里看到的\#ifdef CONFIG\_DEBUG\_LOCK\_ALLOC，都会假设在整个锁的调试期间保持关中断。这句\#if就是这个意思，千万别理解成没有定义内核抢占、SMP或自旋锁调试了，切记切记。  
/\*  
\* If lockdep is enabled then we use the non-preemption spin-ops  
\* even on CONFIG\_PREEMPT, because lockdep assumes that interrupts are  
\* not re-enabled during lock-acquire (which the preempt-spin-ops do):  
\*/  
//多处理器情况，并且允许内核抢占：  
void \_\_lockfunc \_spin\_lock(spinlock\_t \*lock)  
\{  
//禁止抢占  
preempt\_disable();  
//这个函数在没有定义自旋锁调试的时候是空函数，我们不去管它  
spin\_acquire(&lock->dep\_map, 0, 0, \_RET\_IP\_);  
//相当于\_raw\_spin\_lock(lock)  
LOCK\_CONTENDED(lock, \_raw\_spin\_trylock, \_raw\_spin\_lock);  
\}  
  
在没有定义自旋锁调试的时候，LOCK\_CONTENDED宏定义如下  
\#define LOCK\_CONTENDED(\_lock, try, lock) /  
lock(\_lock)  
  
我们看到其实就是调用\_raw\_spin\_lock宏（位于include/linux/spinlock.h）：  
\# define \_raw\_spin\_lock(lock) \_\_raw\_spin\_lock(&(lock)->raw\_lock)  
  
于是，定位到include/asm-i386/Spinlock.h  
static inline void \_\_raw\_spin\_lock(raw\_spinlock\_t \*lock)  
\{  
asm(\_\_raw\_spin\_lock\_string : "+m" (lock->slock) : : "memory");  
\}  
  
展开：  
\#define \_\_raw\_spin\_lock\_string /  
"/n1:/t" /  
//原子减，如果不为负，跳转到3f，3f后面没有任何指令，即为退出  
LOCK\_PREFIX " ; decb %0/n/t" /  
"jns 3f/n" /  
"2:/t" /  
//重复执行nop，nop是x86的小延迟函数，执行空操作  
"rep;nop/n/t" /  
//比较0与lock->slock的值,如果lock->slock不大于0，跳转到标号2，即继续重复执行nop  
"cmpb $0,%0/n/t" /  
"jle 2b/n/t" /  
//如果lock->slock大于0，跳转到标号1，重新判断锁的slock成员  
"jmp 1b/n" /  
"3:/n/t"  
  
在上面的函数中，大家可能对"jmp 1b/n“比较难以理解。在我们一般的观念里，获得一个锁，将其值减1；释放锁时将其值加1；实际上在自旋锁的实现中lock->slock只有两个可能值,一个是0. 一个是1。释放锁的时候并不是将lock->slock加1，而是将其赋为1。

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