Linux內(nèi)核同步機(jī)制spinlock

spin_lock是什么

在平時(shí)的工作中，作為開發(fā)人員經(jīng)常碰到這樣的問題：多線程或多進(jìn)程共享的數(shù)據(jù)如何進(jìn)行保護(hù)，如果發(fā)生進(jìn)程上下文切換或中斷上下文切換都可能使共享數(shù)據(jù)發(fā)生爭搶問題。這時(shí)候就可以考慮用鎖了。如果是進(jìn)程上下文切換引起的可以考慮用信號(hào)量或mutex互斥鎖，但如果發(fā)生在中斷上下文，這時(shí)候信號(hào)量和mutex就無法使用了，因?yàn)檫@兩種鎖機(jī)制是可以睡眠的，而中斷上下文又禁止睡眠，這時(shí)，spin_lock就是我們最好的選擇了。

• spin_lock是一種死等的鎖機(jī)制。當(dāng)發(fā)生資源訪問沖突的時(shí)候，可以有兩個(gè)選擇：一個(gè)是死等，一個(gè)是掛起當(dāng)前進(jìn)程，調(diào)度其他進(jìn)程執(zhí)行。
• spin_lock一次只允許一個(gè)線程進(jìn)入共享資源區(qū)，信號(hào)量可以允許多個(gè)線程進(jìn)入。
• spin_lock執(zhí)行的時(shí)間要短，因?yàn)閟pin_lock是死等鎖，所以在共享資源區(qū)的執(zhí)行時(shí)間不能太長，否則會(huì)造成CPU的資源浪費(fèi)。
• spin_lock最重要的一點(diǎn)是可以在中斷上下文執(zhí)行。

資源競爭

現(xiàn)代CPU一般都是多核多CPU的SMP架構(gòu)，在這種情況下就有可能出現(xiàn)多個(gè)CPU要共同訪問同一個(gè)資源的問題，此時(shí)就需要對資源進(jìn)行保護(hù)，確保同一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)CPU正在訪問修改資源變量。鎖就是在這種背景下誕生的，鎖的種類有很多，應(yīng)用場景也不同，本篇我們主要介紹spinlock自旋鎖。

進(jìn)程上下文

如果一個(gè)全局的資源被多個(gè)進(jìn)程上下文訪問，此時(shí)，內(nèi)核是如何執(zhí)行的呢？對于沒有開啟內(nèi)核可搶占選項(xiàng)的內(nèi)核，所有的系統(tǒng)調(diào)用都是串行執(zhí)行的，并不存在資源競爭的問題。但是。對于現(xiàn)在的大部分內(nèi)核來說可搶占選項(xiàng)是開啟的。

假如現(xiàn)在有一個(gè)共享資源S，有兩個(gè)進(jìn)程A和B，都需要訪問共享資源S

執(zhí)行流程大概是這樣的：

進(jìn)程A訪問資源S的時(shí)候發(fā)生了中斷，中斷去喚醒優(yōu)先級更高的進(jìn)程B，中斷返回的時(shí)候，發(fā)生進(jìn)程切換，優(yōu)先級更高的進(jìn)程B執(zhí)行，進(jìn)程B訪問共享資源S，如果沒有加鎖保護(hù)，此時(shí)進(jìn)程A和進(jìn)程B都訪問了共享資源S，導(dǎo)致程序的執(zhí)行結(jié)果不正確。如果通過spin_lock加鎖保護(hù)，進(jìn)程A訪問共享資源S前獲取spin_lock，此時(shí)發(fā)生了中斷，優(yōu)先級更高的進(jìn)程B開始執(zhí)行，進(jìn)程B會(huì)去獲取spin_lock，由于spin_lock被進(jìn)程A所持有，導(dǎo)致進(jìn)程B獲取spin_lock失敗，進(jìn)程B會(huì)死等直到進(jìn)程A釋放了spin_lock，然后進(jìn)程B就可以獲取spin_lock，訪問共享資源S。

中斷上下文

• 進(jìn)程A運(yùn)行在CPU0上訪問共享資源S
• 進(jìn)程B運(yùn)行在CPU1上訪問共享資源S
• 外部設(shè)備發(fā)生中斷訪問共享資源S 此時(shí)進(jìn)程A在CPU0上獲取spin_lock開始訪問共享資源S，這時(shí)外部設(shè)備發(fā)生了中斷，并且在CPU1上執(zhí)行，假如中斷執(zhí)行了一段時(shí)間后被調(diào)度到了CPU0上執(zhí)行，此時(shí)會(huì)怎樣呢？由于CPU0上進(jìn)程A已經(jīng)獲取了spin_lock，現(xiàn)在被中斷上下文打斷，中斷上下文也要獲取spin_lock，那么現(xiàn)在就進(jìn)入了死胡同也就是死鎖狀態(tài)。而進(jìn)程B在CPU1上也要獲取spin_lock，也會(huì)進(jìn)入死鎖狀態(tài)。所有中斷上下文的切換CPU必須禁止本CPU上的中斷。

實(shí)現(xiàn)原理

spinlock結(jié)構(gòu)體定義在頭文件include/linux/spinlock_types.h

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;

spinlock結(jié)構(gòu)體變量的定義有兩種，一種是靜態(tài)定義，一種是動(dòng)態(tài)定義。

#define DEFINE_SPINLOCK(x) spinlock_t x = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(x)  //靜態(tài)定義
spinlock_t  lock;
spin_lock_init (&lock);  //動(dòng)態(tài)定義

spinlock接口函數(shù)介紹,這些函數(shù)是驅(qū)動(dòng)編程內(nèi)核編程的時(shí)候會(huì)用到的。

位于include/linux/spinlock.h頭文件中
static __always_inline raw_spinlock_t *spinlock_check(spinlock_t *lock)
{
 return &lock- >rlock;
}

#define spin_lock_init(_lock)    \\
do {       \\
 spinlock_check(_lock);    \\
 raw_spin_lock_init(&(_lock)- >rlock);  \\
} while (0)

static __always_inline void spin_lock(spinlock_t *lock)
{
 raw_spin_lock(&lock- >rlock);
}

static __always_inline void spin_lock_bh(spinlock_t *lock)
{
 raw_spin_lock_bh(&lock- >rlock);
}

static __always_inline int spin_trylock(spinlock_t *lock)
{
 return raw_spin_trylock(&lock- >rlock);
}

#define spin_lock_nested(lock, subclass)   \\
do {        \\
 raw_spin_lock_nested(spinlock_check(lock), subclass); \\
} while (0)

#define spin_lock_nest_lock(lock, nest_lock)    \\
do {         \\
 raw_spin_lock_nest_lock(spinlock_check(lock), nest_lock); \\
} while (0)

static __always_inline void spin_lock_irq(spinlock_t *lock)
{
 raw_spin_lock_irq(&lock- >rlock);
}

#define spin_lock_irqsave(lock, flags)    \\
do {        \\
 raw_spin_lock_irqsave(spinlock_check(lock), flags); \\
} while (0)

#define spin_lock_irqsave_nested(lock, flags, subclass)   \\
do {         \\
 raw_spin_lock_irqsave_nested(spinlock_check(lock), flags, subclass); \\
} while (0)

static __always_inline void spin_unlock(spinlock_t *lock)
{
 raw_spin_unlock(&lock- >rlock);
}

static __always_inline void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock)
{
 raw_spin_unlock_bh(&lock- >rlock);
}

static __always_inline void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock)
{
 raw_spin_unlock_irq(&lock- >rlock);
}

static __always_inline void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags)
{
 raw_spin_unlock_irqrestore(&lock- >rlock, flags);
}

static __always_inline int spin_trylock_bh(spinlock_t *lock)
{
 return raw_spin_trylock_bh(&lock- >rlock);
}

static __always_inline int spin_trylock_irq(spinlock_t *lock)
{
 return raw_spin_trylock_irq(&lock- >rlock);
}

#define spin_trylock_irqsave(lock, flags)   \\
({        \\
 raw_spin_trylock_irqsave(spinlock_check(lock), flags); \\
})

static __always_inline int spin_is_locked(spinlock_t *lock)
{
 return raw_spin_is_locked(&lock- >rlock);
}

static __always_inline int spin_is_contended(spinlock_t *lock)
{
 return raw_spin_is_contended(&lock- >rlock);
}

static __always_inline int spin_can_lock(spinlock_t *lock)
{
 return raw_spin_can_lock(&lock- >rlock);
}

#define assert_spin_locked(lock) assert_raw_spin_locked(&(lock)- >rlock)

spinlock底層實(shí)現(xiàn)源碼分析

spin_lock()函數(shù)調(diào)用raw_spin_lock()函數(shù)，傳入raw_spinlock_t指針變量。

static __always_inline void spin_lock(spinlock_t *lock)
{
 raw_spin_lock(&lock- >rlock);
}

raw_spin_lock()宏定義函數(shù)就是_raw_spin_lock()宏定義函數(shù)。

#define raw_spin_lock(lock) _raw_spin_lock(lock)

_raw_spin_lock()函數(shù)調(diào)用__raw_spin_lock()函數(shù)，并傳入raw_spinlock_t指針變量。

void __lockfunc _raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)
{
 __raw_spin_lock(lock);
}

__raw_spin_lock()函數(shù)調(diào)用preempt_disable()函數(shù)禁止內(nèi)核搶占，調(diào)用spin_acquire()函數(shù)進(jìn)行運(yùn)行時(shí)檢查鎖的有效性，調(diào)用LOCK_CONTENDED()實(shí)際調(diào)用的就是do_raw_spin_lock()函數(shù)，并傳入raw_spinlock_t指針變量。

static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)
{
 preempt_disable();
 spin_acquire(&lock- >dep_map, 0, 0, _RET_IP_);
 LOCK_CONTENDED(lock, do_raw_spin_trylock, do_raw_spin_lock);
}

#define LOCK_CONTENDED(_lock, try, lock) \\
 lock(_lock)

do_raw_spin_lock()函數(shù)調(diào)用debug_spin_lock_before()函數(shù)進(jìn)行靜態(tài)檢查，調(diào)用arch_spin_lock()函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)針對arm體系架構(gòu)的自旋鎖機(jī)制，調(diào)用debug_spin_lock_after()函數(shù)進(jìn)行靜態(tài)檢查。

void do_raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)
{
 debug_spin_lock_before(lock);
 arch_spin_lock(&lock- >raw_lock);
 debug_spin_lock_after(lock);
}

arch_spin_lock()函數(shù)調(diào)用prefetchw()函數(shù)讀取鎖變量的值，該函數(shù)和cache有關(guān)，主要是為了提高性能，接下來是一段內(nèi)嵌匯編代碼，主要是實(shí)現(xiàn)原子操作，通過ldrex和strex這兩個(gè)獨(dú)占訪問指令實(shí)現(xiàn)。接下來判斷當(dāng)前的spinlock是否已經(jīng)被持有，如果已經(jīng)被持有則調(diào)用wfe()函數(shù)進(jìn)入等待狀態(tài)，WFE(Wait for event)是讓ARM核進(jìn)入低功耗待機(jī)模式的指令，由ARM架構(gòu)規(guī)范定義，由ARM核實(shí)現(xiàn)。接著判斷本CPU是否是其它CPU喚醒執(zhí)行的，如果是則說明owner的值發(fā)生了變化，將新的owner值賦給lockval。smp_mb是memory barrier相關(guān)的操作。

static inline void arch_spin_lock(arch_spinlock_t *lock)
{
 unsigned long tmp;
 u32 newval;
 arch_spinlock_t lockval;

 prefetchw(&lock- >slock);
 __asm__ __volatile__(
"1: ldrex %0, [%3]\\n"
" add %1, %0, %4\\n"
" strex %2, %1, [%3]\\n"
" teq %2, #0\\n"
" bne 1b"
 : "=&r" (lockval), "=&r" (newval), "=&r" (tmp)
 : "r" (&lock- >slock), "I" (1 < < TICKET_SHIFT)
 : "cc");

 while (lockval.tickets.next != lockval.tickets.owner) {
  wfe();
  lockval.tickets.owner = ACCESS_ONCE(lock- >tickets.owner);
 }

 smp_mb();
}

總結(jié)

本篇主要介紹了Linux內(nèi)核同步機(jī)制spinlock的原理并分析了底層源碼是怎么實(shí)現(xiàn)的，以及spinlock的使用場景。