Linux同步機制自旋鎖原理及其應用

一、自旋鎖

自旋鎖是專為防止多處理器并發而引入的一種鎖，它在內核中大量應用于中斷處理等部分(對于單處理器來說，防止中斷處理中的并發可簡單采用關閉中斷的方式，即在標志寄存器中關閉/打開中斷標志位，不需要自旋鎖)。

自旋就是自己連續的循環等待。如果你有抱著你的愛人旋轉的經歷，那么你應該知道一件事情，為了安全，你不能旋轉太久，你的愛人如果頭昏，也想你早日釋放。是的，自旋的缺點，就是它頻繁的循環直到等待鎖的釋放，將它用于可以快速完成的代碼中才好。

自旋不能搶占，但能中斷。

相關話題：SMP和cpu。多個cpu和單個cpu。很多書說自旋鎖只能在多處理機中使用，這是不正確的。
首先定義
Spinlock_t lock;
對不起，我只能找到arm平臺的鎖了
/*
* 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;
補上x86平臺
#define SPINLOCK_MAGIC 0x1D244B3C
typedef struct {
unsigned long magic;
volatile unsigned long lock;
volatile unsigned int babble;
const char *module; // 所屬模塊
char *owner;
int oline;
} spinlock_t;

Lock為0時可以用，1是等待。0像鎖孔，當沒有鑰匙插進去時，它才可以插進去。

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)

定義一個自旋鎖的方法很有意思，

Spinlock_t lock=？？？？？
可以通過spin_lock
Spin_lock_irqsave 來調用自旋鎖，后者不允許中斷。前者有可能在上鎖中發生中斷。
還有spin_trylock 這是一個絕不妥協的函數，它不等待。

恢復為spin_unlock
Spin_unlock_irqrestore

考查下面代碼
#define spin_lock_irqsave(lock, flags) _spin_lock_irqsave(lock, flags)
#define _spin_lock_irqsave(lock, flags)
do {
local_irq_save(flags); 保存中斷請求標志
preempt_disable(); 不允許搶占
_raw_spin_lock(lock);
__acquire(lock);
} while (0)

二、自旋鎖綜合使用

下面是一個使用的例子，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); 枷鎖
pgd_list_del(pgd);
spin_unlock_irqrestore(pgd_lock, flags); 釋放
}
中斷枷鎖
#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); 將寄存器存入flags，并關中斷
preempt_disable(); 搶占鎖
_raw_spin_lock_flags(lock, flags); 枷鎖
return flags;
}
EXPORT_SYMBOL(_spin_lock_irqsave);
繼續
/* For spinlocks etc */
#define local_irq_save(x) __asm__ __volatile__(pushfl ; popl %0 ; cli:=g (x): /* no input */ :memory)
將標志寄存器的內容放在內存x中。請查看gcc匯編
繼續
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);
}
繼續
#define spin_lock_string_flags
1:
lock ; decb %0 ；lock總線鎖住，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。當lock-1后大于等于0就可以關中斷繼續執行了，否則nop空操作。Nop期間，cpu可以執行其他任務的代碼。
解鎖
#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);
BUG_ON(!spin_is_locked(lock));
#endif
__asm__ __volatile__(
spin_unlock_string
);
}
Raw赤裸的解鎖，表示最低沉的解鎖原理。
#define spin_unlock_string
xchgb %b0, %1
:=q (oldval), =m (lock->slock)
:0 (oldval) : memory
加1.解鎖