Linux内核同步机制的自旋锁原理

一、自旋锁

自旋锁是专为防止多处理器并发而引入的一种锁，它在内核中大量应用于中断处理等部分(对于单处理器来说，防止中断处理中的并发可简单采用关闭中断的方式，即在标志寄存器中关闭/打开中断标志位，不需要自旋锁)。

自旋就是自己连续的循环等待。如果你有抱着你的爱人旋转的经历，那么你应该知道一件事情，为了安全，你不能旋转太久，你的爱人如果头昏，也想你早日释放。是的，自旋的缺点，就是它频繁的循环直到等待锁的释放，将它用于可以快速完成的代码中才好。

自旋不能抢占，但能中断。

相关话题：SMP和cpu。多个cpu和单个cpu。很多书说自旋锁只能在多处理机中使用，这是不正确的。

首先定义

Spinlock_t lock;

对不起，我只能找到arm平台的锁了

/*

* ARMv6 Spin-locking.

*

* We (exclusively) read the old value, and decrement it. If it

* hits zero, we may have won the lock, so we try (exclusively)

* storing it.

*

* Unlocked value: 0

* Locked value: 1

*/

typedef struct {

volatile unsigned int lock;

#ifdef CONFIG_PREEMPT

unsigned int break_lock;

#endif

} spinlock_t;

#define SPINLOCK_MAGIC 0x1D244B3C

typedef struct {

unsigned long magic;

volatile unsigned long lock;

volatile unsigned int babble;

const char *module; // 所属模块

char *owner;

int oline;

} spinlock_t;

Lock为0时可以用，1是等待。0像锁孔，当没有钥匙插进去时，它才可以插进去

怎么初始化呢?

#define spin_lock_init(x)

do {

(x)->magic = SPINLOCK_MAGIC;

(x)->lock = 0; ;0初始化，表示可用

(x)->babble = 5;

(x)->module = __FILE__;

(x)->owner = NULL;

(x)->oline = 0;

} while (0)

定义一个自旋锁的方法很有意思，Spinlock_t lock=?????

可以通过spin_lock

Spin_lock_irqsave 来调用自旋锁，后者不允许中断。前者有可能在上锁中发生中断。

还有spin_trylock 这是一个绝不妥协的函数，它不等待。

恢复为spin_unlock

Spin_unlock_irqrestore

考查下面代码

#define spin_lock_irqsave(lock, flags) _spin_lock_irqsave(lock, flags)

#define _spin_lock_irqsave(lock, flags)

do {

local_irq_save(flags); 保存中断请求标志

preempt_disable(); 不允许抢占

_raw_spin_lock(lock);

__acquire(lock);

} while (0)

二、自旋锁综合使用

下面是一个使用的例子，你可以使用source insight查到它

/* never called when PTRS_PER_PMD > 1 */

void pgd_dtor(void *pgd, kmem_cache_t *cache, unsigned long unused)

{

unsigned long flags; /* can be called from interrupt context */

spin_lock_irqsave(&pgd_lock, flags); 枷锁

pgd_list_del(pgd);

spin_unlock_irqrestore(&pgd_lock, flags); 释放

}

中断枷锁

#define spin_lock_irqsave(lock, flags) _spin_lock_irqsave(lock, flags)

分析

unsigned long __lockfunc _spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock)

{

unsigned long flags;

local_irq_save(flags); 将寄存器存入flags，并关中断

preempt_disable(); 抢占锁

_raw_spin_lock_flags(lock, flags); 枷锁

return flags;

}

EXPORT_SYMBOL(_spin_lock_irqsave);

/* For spinlocks etc */

#define local_irq_save(x) __asm__ __volatile__("pushfl ; popl %0 ; cli":"=g" (x): /* no input */ :"memory")

将标志寄存器的内容放在内存x中。请查看gcc汇编

static inline void _raw_spin_lock_flags (spinlock_t *lock, unsigned long flags)

{

#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK

if (unlikely(lock->magic != SPINLOCK_MAGIC)) {

printk("eip: %p ", __builtin_return_address(0));

BUG();

}

#endif

__asm__ __volatile__(

spin_lock_string_flags

:"=m" (lock->slock) : "r" (flags) : "memory");

}

#define spin_lock_string_flags

" 1: "

"lock ; decb %0 " ;lock总线锁住，原子操作

"jns 4f "

"2: "

"testl $0x200, %1 "

"jz 3f "

"sti "

"3: "

"rep;nop "

"cmpb $0, %0 "

"jle 3b "

"cli "

"jmp 1b "

"4: "

理解一下大概意思，就可以了。当lock-1后大于等于0就可以关中断继续执行了，否则nop空操作。Nop期间，cpu可以执行其他任务的代码。

解锁

#define spin_unlock_irqrestore(lock, flags) _spin_unlock_irqrestore(lock, flags)

void __lockfunc _spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags)

{

_raw_spin_unlock(lock);

local_irq_restore(flags);

preempt_enable();

}

static inline void _raw_spin_unlock(spinlock_t *lock)

{

#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK

BUG_ON(lock->magic != SPINLOCK_MAGIC);

[!--empirenews.page--]

BUG_ON(!spin_is_locked(lock));

#endif

__asm__ __volatile__(

spin_unlock_string

);

}

Raw赤裸的解锁，表示最低沉的解锁原理。

#define spin_unlock_string

"xchgb %b0, %1"

:"=q" (oldval), "=m" (lock->slock)

:"0" (oldval) : "memory"

加1.解锁