Linux內核自旋鎖spinlock_t機制【轉】

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spinlock用在什么場景？

自旋鎖用在臨界區代碼非常少的情況。

spinlock在使用時有什么注意事項？

• 臨界區代碼應該盡可能精簡
• 不允許睡眠（會出現死鎖）
• Need to have interrupts disabled when locked by ordinary threads, if shared by an interrupt handler。（會出現死鎖）

spinlock是怎么實現的？

看一下源代碼：

typedef struct raw_spinlock { arch_spinlock_t raw_lock; #ifdef CONFIG_GENERIC_LOCKBREAK 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 } raw_spinlock_t; typedef struct spinlock { union { struct raw_spinlock rlock; #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC # define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map)) struct { u8 __padding[LOCK_PADSIZE]; struct lockdep_map dep_map; }; #endif }; } spinlock_t; 

如果忽略CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC話，spinlock主要包含一個arch_spinlock_t的結構，從名字可以看出，這個結構是跟體系結構有關的。

加鎖流程

加鎖的相關源碼如下：

#define raw_spin_lock(lock) _raw_spin_lock(lock) static inline void spin_lock(spinlock_t *lock) { raw_spin_lock(&lock->rlock); } 

_raw_spin_lock完成實際的加鎖動作。

根據CPU體系結構，spinlock分為SMP版本和UP版本，這里以SMP版本為例來分析。SMP版本中，_raw_spin_lock為聲明為：

void __lockfunc _raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock) __acquires(lock); 

再看_raw_spin_lock的實現，SMP版本中，看_raw_spin_lock最終調用了__raw_spin_lock，__raw_spin_lock的源代碼如下：

static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock) { // 禁止搶占 preempt_disable(); // for debug spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_); // real work done here LOCK_CONTENDED(lock, do_raw_spin_trylock, do_raw_spin_lock); } 

LOCK_CONTENDED是一個通用的加鎖流程。do_raw_spin_trylock和do_raw_spin_lock的實現依賴於具體的體系結構，以x86為例，do_raw_spin_trylock最終調用的是：

do_raw_spin_trylock的源代碼：

static inline int do_raw_spin_trylock(raw_spinlock_t *lock) { // 體系結構相關 return arch_spin_trylock(&(lock)->raw_lock); } 

以x86為例，arch_spin_trylock最終調用__ticket_spin_trylock函數。其源代碼如下：

// 定義在arch/x86/include/asm/spinlock_types.h typedef struct arch_spinlock { union { __ticketpair_t head_tail; struct __raw_tickets { __ticket_t head, tail; // 注意，x86使用的是小端模式，存在高地址空間的是tail } tickets; }; } arch_spinlock_t; // 定義在arch/x86/include/asm中 static __always_inline int __ticket_spin_trylock(arch_spinlock_t *lock) { arch_spinlock_t old, new; // 獲取舊的ticket信息 old.tickets = ACCESS_ONCE(lock->tickets); // head和tail不一致，說明鎖正被占用，加鎖不成功 if (old.tickets.head != old.tickets.tail) return 0; new.head_tail = old.head_tail + (1 << TICKET_SHIFT); // 將tail + 1 /* cmpxchg is a full barrier, so nothing can move before it */ return cmpxchg(&lock->head_tail, old.head_tail, new.head_tail) == old.head_tail; } 

從上述代碼中可知，__ticket_spin_trylock的核心功能，就是判斷自旋鎖是否被占用，如果沒被占用，嘗試原子性地更新lock中的head_tail的值，將tail+1，返回是否加鎖成功。

不考慮CONFIG_DEBUG_SPINLOCK宏的話， do_raw_spin_lock的源代碼如下：

static inline void do_raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock) __acquires(lock) { __acquire(lock); arch_spin_lock(&lock->raw_lock); } 

arch_spin_lock的源代碼：

static __always_inline void arch_spin_lock(arch_spinlock_t *lock) { __ticket_spin_lock(lock); } 

__ticket_spin_lock的源代碼：

static __always_inline void __ticket_spin_lock(arch_spinlock_t *lock) { register struct __raw_tickets inc = { .tail = 1 }; // 原子性地把ticket中的tail+1，返回的inc是+1之前的原始值 inc = xadd(&lock->tickets, inc); for (;;) { // 循環直到head和tail相等 if (inc.head == inc.tail) break; cpu_relax(); // 讀取新的head值 inc.head = ACCESS_ONCE(lock->tickets.head); } barrier(); /* make sure nothing creeps before the lock is taken */ } 

ticket分成兩個部分，一部分叫tail,相當於一個隊列的隊尾，一個部分叫head，相當於一個隊列的隊頭。初始化的時候,tail和head都是0，表示無人占用鎖。
__ticket_spin_lock就是原子性地把tail+1，並且把+1之前的值記錄下來，然后不斷地和head進行比較。由於是原子性的操作，所以不同的鎖競爭者拿到的tail值是不一樣的。如果tail值和head一樣了，說明這時候沒人占用鎖了，下一個拿到鎖的就是自己了。

舉例來說，假設線程A和線程B競爭同一個自旋鎖：

1. 初始化tail=0, head=0，線程A將tail+1, 並返回tail的舊值0，將0和head值比較，相等，於是這時候線程A就拿到了鎖。
2. 線程A這時候也來拿鎖，將tail值+1，變成2，返回tail的舊值1，將其和head值0比較，不相等，繼續循環。
3. 線程A用完鎖了，將head值+1。
4. 線程B讀取head值，並將其和tail值比較，發現相等，獲得鎖。

解鎖流程

對於SMP架構來說，spin_unlock最終調用的是__raw_spin_unlock，其源代碼如下：

static inline void __raw_spin_unlock(raw_spinlock_t *lock) { spin_release(&lock->dep_map, 1, _RET_IP_); // 主要的解鎖工作 do_raw_spin_unlock(lock); // 啟用搶占 preempt_enable(); } static inline void do_raw_spin_unlock(raw_spinlock_t *lock) __releases(lock) { arch_spin_unlock(&lock->raw_lock); __release(lock); } 

arch_spin_unlock在x86體系結構下的實現代碼如下：

static __always_inline void arch_spin_unlock(arch_spinlock_t *lock) { __ticket_spin_unlock(lock); } static __always_inline void __ticket_spin_unlock(arch_spinlock_t *lock) { // 將tickers的head值加1 __add(&lock->tickets.head, 1, UNLOCK_LOCK_PREFIX); } 

考慮中斷處理函數

如果自旋鎖可能在中斷處理處理中使用，那么在獲取自旋鎖之前，必須禁止本地中斷。則，持有鎖的內核代碼會被中斷處理程序打斷，接着試圖去爭用這個已經被持有的自旋鎖。這樣的結果是，中斷處理函數自旋，等待該鎖重新可用，但是鎖的持有者在該中斷處理程序執行完畢之前不可能運行，這就成為了雙重請求死鎖。注意，需要關閉的只是當前處理器上的中斷。因為中斷發生在不同的處理器上，即使中斷處理程序在同一鎖上自旋，也不會妨礙鎖的持有者（在不同處理器上）最終釋放。

所以要使用spin_lock_irqsave() / spin_unlock_irqrestore()這個版本的加鎖、解鎖函數。
函數spin_lock_irqsave()：保存中斷的當前狀態，禁止本地中斷，然后獲取指定的鎖。
函數spin_unlock_reqrestore():對指定的鎖解鎖，讓中斷恢復到加鎖前的狀態。所以即使中斷最初是被禁止的，代碼也不會錯誤地激活它們。

spinlock的幾種變種

1. rwlock_t 讀寫鎖
2. seqlock_t 順序鎖

參考資料

Ticket spinklocks
Linux內核源代碼

作者：Jiafu89
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來源：簡書
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