自旋锁spinlock的实现-05

自旋锁，顾名思义：自己在原地打转，等待资源可用，一旦可用就上锁霸占它。

问题来了，假设别人已经上锁了，你原地打转会占住CPU资源了，别的程序怎么运行？它没有CPU怎么解锁？

这个问题，有2个答案：

① 原地打转的是CPU x，以后CPU y会解锁：这涉及多个CPU，适用于SMP系统；

② 对于单CPU系统，自旋锁的“自旋”功能就去掉了：只剩下禁止抢占、禁止中断

我先禁止别的线程来打断我(preempt_disable)，我慢慢享用临界资源，用完再使能系统抢占(preempt_enable)，这样别人就可以来抢资源了。

 

注意：SMP就是Symmetric Multi-Processors，对称多处理器；UP即Uni-Processor，系统只有一个单核CPU。

 

要理解spinlock，要通过2个情景来分析：

① 一开始，怎么争抢资源？不能2个程序都抢到。

这挺好解决，使用原子变量就可以实现。

 

② 某个程序已经获得资源，怎么防止别人来同时使用这个资源。

这是使用spinlock时要注意的地方，对应会有不同的衍生函数(_bh/_irq/_irqsave/_restore)。

1 自旋锁的内核结构体

spinlock对应的结构体如下定义，不同的架构可能有不同的实现：

 

上述__raw_tickets结构体中有owner、next两个成员，这是在SMP系统中实现spinlock的关键。

 

2 spinlock在UP系统中的实现

对于“自旋锁”，它的本意是：如果还没获得锁，我就原地打转等待。等待谁释放锁？

① 其他CPU

② 其他进程/线程

 

对于单CPU系统，没有“其他CPU”；如果内核不支持preempt，当前在内核态执行的线程也不可能被其他线程抢占，也就“没有其他进程/线程”。所以，对于不支持preempt的单CPU系统，spin_lock是空函数，不需要做其他事情。

 

如果单CPU系统的内核支持preempt，即当前线程正在执行内核态函数时，它是有可能被别的线程抢占的。这时spin_lock的实现就是调用“preempt_disable()”：你想抢我，我干脆禁止你运行。

在UP系统中，spin_lock函数定义如下：

 

 

从以上代码可知，在UP系统中spin_lock()就退化为preempt_disable()，如果用的内核不支持preempt，那么spin_lock()什么事都不用做。

 

对于spin_lock_irq()，在UP系统中就退化为local_irq_disable()和preempt_disable()，如下图所示：

 

假设程序A要访问临界资源，可能会有中断也来访问临界资源，可能会有程序B也来访问临界资源，那么使用spin_lock_irq()来保护临界资源：先禁止中断防止中断来抢，再禁止preempt防止其他进程来抢。

 

对于spin_lock_bh()，在UP系统中就退化为禁止软件中断和preempt_disable()，如下图所示：

对于spin_lock_irqsave，它跟spin_lock_irq类似，只不过它是先保存中断状态再禁止中断，如下：

 

对应的spin_unlock函数就不再讲解。

3 spinlock在SMP系统中的实现

要让多CPU中只能有一个获得临界资源，使用原子变量就可以实现。但是还要保证公平，先到先得。比如有CPU0、CPU1、CPU2都调用spin_lock想获得临界资源，谁先申请谁先获得。

 

要想理解SMP系统中spinlock的实现，得举一个例子。感谢这篇文章：

Linux内核同步机制之（四）：spin lock

http://www.wowotech.net/kernel_synchronization/spinlock.html

wowotech真是一个神奇的网站，里面Linux文章的作者统一标为“linuxer”，牛！

 

我借用这篇文章的例子讲解，餐厅里只有一个座位，去吃饭的人都得先取号、等叫号。注意，有2个动作：顾客从取号机取号，电子叫号牌叫号。

① 一开始取号机待取号码为0

② 顾客A从取号机得到号码0，电子叫号牌显示0，顾客A上座；

取号机显示下一个待取号码为1。

③ 顾客B从取号机得到号码1，电子叫号牌还显示为0，顾客B等待；

取号机显示下一个待取号码为2。

④ 顾客C从取号机得到号码2，电子叫号牌还显示为0，顾客C等待；

取号机显示下一个待取号码为3。

⑤ 顾客A吃完离座，电子叫号牌显示为1，顾客B的号码等于1，他上座；

⑥ 顾客B吃完离座，电子叫号牌显示为2，顾客C的号码等于2，他上座；

在这个例子中有2个号码：取号机显示的“下一个号码”，顾客取号后它会自动加1；电子叫号牌显示“当前号码”，顾客离座后它会自动加1。某个客户手上拿到的号码等于电子叫号牌的号码时，该客户上座。

在这个过程中，即使顾客B、C同时到店，只要保证他们从取号机上得到的号码不同，他们就不会打架。

所以，关键点在于：取号机的号码发放，必须互斥，保证客户的号码互不相同。而电子叫号牌上号码的变动不需要保护，只有顾客离开后它才会变化，没人争抢它。

 

在ARMv6及以上的ARM架构中，支持SMP系统。它的spinlock结构体定义如下：

 

 

owner就相当于电子叫号牌，现在谁在吃饭。next就当于于取号机，下一个号码是什么。每一个CPU从取号机上取到的号码保存在spin_lock函数中的局部变量里。

 

spin_lock函数调用关系如下，核心是arch_spin_lock：

 

arch_spin_lock代码如下：

 

 

图中的注释把原理讲得非常清楚了,即使不同的个体去同时取号，也可以保证取到的号码各不相同。

假设第1个程序取到了号码，它访问了临界资源后，调用spin_unlock，代码如下：

 

假如有其他程序正在spin_lock函数中循环等待，它就会立刻判断自己手上的next是否等于lock->tickets.owner，如果相等就表示输到它获得了锁。

 

 

深入分析_linux_spinlock_实现机制

https://blog.csdn.net/electrombile/article/details/51289813

 

深入分析Linux自旋锁

http://blog.chinaunix.net/uid-20543672-id-3252604.html

 

Linux内核同步机制之（四）：spin lock

http://www.wowotech.net/kernel_synchronization/spinlock.html