线程同步之详解自旋锁

一 什么是自旋锁

自旋锁(Spinlock)是一种广泛运用的底层同步机制。自旋锁是一个互斥设备,它只有两个值:“锁定”和“解锁”。它通常实现为某个整数值中的某个位。希望获得某个特定锁得代码测试相关的位。如果锁可用,则“锁定”被设置,而代码继续进入临界区;相反,如果锁被其他人获得,则代码进入忙循环(而不是休眠,这也是自旋锁和一般锁的区别)并重复检查这个锁,直到该锁可用为止,这就是自旋的过程。“测试并设置位”的操作必须是原子的,这样,即使多个线程在给定时间自旋,也只有一个线程可获得该锁。

自旋锁对于SMP和单处理器可抢占内核都适用。可以想象,当一个处理器处于自旋状态时,它做不了任何有用的工作,因此自旋锁对于单处理器不可抢占内核没有意义,实际上,非抢占式的单处理器系统上自旋锁被实现为空操作,不做任何事情。

曾经有个经典的例子来比喻自旋锁:A,B两个人合租一套房子,共用一个厕所,那么这个厕所就是共享资源,且在任一时刻最多只能有一个人在使用。当厕所闲置时,谁来了都可以使用,当A使用时,就会关上厕所门,而B也要使用,但是急啊,就得在门外焦急地等待,急得团团转,是为“自旋”,这也是要求锁的持有时间尽量短的原因!

自旋锁有以下特点: ___________________

  • 用于临界区互斥
  • 在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁
  • 要求持有锁的处理器所占用的时间尽可能短
  • 等待锁的线程进入忙循环

补充: ___________________

临界区和互斥:对于某些全局资源,多个并发执行的线程在访问这些资源时,操作系统可能会交错执行多个并发线程的访问指令,一个错误的指令顺序可能会导致最终的结果错误。多个线程对共享的资源的访问指令构成了一个临界区(critical section),这个临界区不应该和其他线程的交替执行,确保每个线程执行临界区时能对临界区里的共享资源互斥的访问。

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二 自旋锁较互斥锁之类同步机制的优势

2.1 休眠与忙循环

___________________

互斥锁得不到锁时,线程会进入休眠,这类同步机制都有一个共性就是 一旦资源被占用都会产生任务切换,任务切换涉及很多东西的(保存原来的上下文,按调度算法选择新的任务,恢复新任务的上下文,还有就是要修改cr3寄存器会导致cache失效)这些都是需要大量时间的,因此用互斥之类来同步一旦涉及到阻塞代价是十分昂贵的。

一个互斥锁来控制2行代码的原子操作,这个时候一个CPU正在执行这个代码,另一个CPU也要进入, 另一个CPU就会产生任务切换。为了短短的两行代码 就进行任务切换执行大量的代码,对系统性能不利,另一个CPU还不如直接有条件的死循环,等待那个CPU把那两行代码执行完。

2.2 自旋过程

___________________

当锁被其他线程占有时,获取锁的线程便会进入自旋,不断检测自旋锁的状态。一旦自旋锁被释放,线程便结束自旋,得到自旋锁的线程便可以执行临界区的代码。对于临界区的代码必须短小,否则其他线程会一直受到阻塞,这也是要求锁的持有时间尽量短的原因!

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三 windows驱动程序中自旋锁的使用

3.1 初始化自旋锁

___________________

在windows下,自旋锁用一个名为KSPIN_LOCK的结构体进行表示。

VOID KeInitializeSpinLock(
_Out_ PKSPIN_LOCK SpinLock
);

注意: 存储KSPIN_LOCK变量必须是常驻在内存的,一般可以放在设备对象的设备扩展结构体中,控制对象的控制扩展中,或者调用者申请的非分页内存池中。 可运行在任意IRQL中。

3.2 申请自旋锁

___________________

VOID KeAcquireSpinLock(
  _In_  PKSPIN_LOCK SpinLock,
  _Out_ PKIRQL      OldIrql
);

SpinLock:指向经过KeInitializeSpinLock的结构体 OldIrql:用于保存当前的中断请求级

注意: 当使用全局变量存储 OldIrql时,不同的锁最好不要共用一个全局块,否则很容易引起竞争问题(race condition)。

3.3 释放自旋锁

___________________

VOID KeReleaseSpinLock(
  _Inout_ PKSPIN_LOCK SpinLock,
  _In_    KIRQL       NewIrql
);

SpinLock:指向经过KeInitializeSpinLock的结构体 NewIrql :KeAcquireSpinLock保存当前的中断请求级

注意 运行的IRQL = DISPATCH_LEVEL

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四 windows下自旋锁的实现

4.1 KSPIN_LOCK结构体

___________________

KSPIN_LOCK实际是一个操作系统相关的无符号整数,32位系统上是32位的unsigned long,64位系统则定义为unsigned __int64。 在初始化时,其值被设置为0,为空闲状态。

4.2 KeInitializeSpinLock

___________________

FORCEINLINE
VOID
NTAPI
KeInitializeSpinLock (
    __out PKSPIN_LOCK SpinLock
    ) 
{
    *SpinLock = 0;    //将SpinLock初始化为0,表示锁的状态为空闲状态
}

4.3 KeAcquireSpinLock

___________________

4.3.1 单处理器

wdm.h中是这样定义的:

#define KeAcquireSpinLock(SpinLock, OldIrql) \
    *(OldIrql) = KeAcquireSpinLockRaiseToDpc(SpinLock)

很明显,核心的操作对象是SpinLock,同时也与IRQL有关 。

如果当前的IRQL为PASSIVEL_LEVEL,那么首先会提升IRQL到DISPATCH_LEVEL,然后调用KxAcquireSpinLock()。

如果当前的IRQL为DISPATCH_LEVEL,那么就调用KeAcquireSpinLockAtDpcLevel,省去提升IRQL一步。

因为线程调度也是发生在DISPATCH_LEVEL,所以提升IRQL之后当前处理器上就不会发生线程切换。单处理器时,当前只能有一个线程被执行,而这个线程提升IRQL至DISPATCH_LEVEL之后又不会因为调度被切换出去,自然也可以实现我们想要的互斥“效果”,其实只操作IRQL即可,无需SpinLock。实际上单核系统的内核文件ntosknl.exe中导出的有关SpinLock的函数都只有一句话,就是return。

4.3.2 多处理器

而多处理器呢?提升IRQL只会影响到当前处理器,保证当前处理器的当前线程不被切换。

__forceinline
KIRQL
KeAcquireSpinLockRaiseToDpc (
    __inout PKSPIN_LOCK SpinLock
    )
{

    KIRQL OldIrql;
    //
    // Raise IRQL to DISPATCH_LEVEL and acquire the specified spin lock.
    //
    OldIrql = KfRaiseIrql(DISPATCH_LEVEL);     //提升IRQL
    KxAcquireSpinLock(SpinLock);    //获取自旋锁
    return OldIrql;
}

其中用于获取自旋锁的KxAcquireSpinLock函数:

__forceinline
VOID
KxAcquireSpinLock (
    __inout PKSPIN_LOCK SpinLock
    )
{
    if (InterlockedBitTestAndSet64((LONG64 *)SpinLock, 0))//64位函数
    {

        KxWaitForSpinLockAndAcquire(SpinLock);  //CPU空转进行等待
    }
}

KxAcquireSpinLock()函数先测试锁的状态。若锁空闲,则SpinLock为0,那么InterlockedBitTestAndSet()将返回0,并使SpinLock置位,不再为0。这样KxAcquireSpinLock()就成功得到了锁,并设置锁为占用状态(*SpinLock不为0),函数返回。若锁已被占用呢?InterlockedBitTestAndSet()将返回1,此时将调用KxWaitForSpinLockAndAcquire()等待并获取这个锁。这表明,SPIN_LOCK为0则锁空闲,非0则已被占有。

InterlockedBitTestAndSet64()函数的32位版本如下:

BOOLEAN
FORCEINLINE
InterlockedBitTestAndSet (
    IN LONG *Base,
    IN LONG Bit
    )
{
    
__asm {
           mov eax, Bit
           mov ecx, Base
           lock bts [ecx], eax
           setc al
    };
}

关键就在bts指令,是一个进行位测试并置位的指令。这里在进行关键的操作时有lock前缀,保证了多处理器安全。

4.4 KxReleaseSpinLock

___________________

__forceinline
VOID
KxReleaseSpinLock (
   __inout PKSPIN_LOCK SpinLock
   )
{
   InterlockedAnd64((LONG64 *)SpinLock, 0);//释放时进行与操作设置其为0
}

4.5 真实系统上的实现

___________________

好了,对于自旋锁的初始化、获取、释放,都有了了解。但是只是谈谈原理,看看WRK,似乎有种纸上谈兵的感觉?那就实战一下,看看真实系统中是如何实现的。以双核系统中XP SP2下内核中关于SpinLock的实现细节为例: 用IDA分析双核系统的内核文件ntkrnlpa.exe,关于自旋锁操作的两个基本函数是KiAcquireSpinLock和KiReleaseSpinLock,其它几个类似。

.text:004689C0 KiAcquireSpinLock proc near             ; CODE XREF: 
sub_416FEE+2D p
.text:004689C0                                         ; sub_4206C0+5 j ...
.text:004689C0                 lock bts dword ptr [ecx], 0
.text:004689C5                 jb      short loc_4689C8
.text:004689C7                 retn
.text:004689C8 ; ---------------------------------------------------------------------------
.text:004689C8
.text:004689C8 loc_4689C8:                             ; CODE XREF: KiAcquireSpinLock+5 j
.text:004689C8                                         ; KiAcquireSpinLock+12 j
.text:004689C8                 test    dword ptr [ecx], 1
.text:004689CE                 jz      short KiAcquireSpinLock
.text:004689D0                 pause
.text:004689D2                 jmp     short loc_4689C8
.text:004689D2 KiAcquireSpinLock endp

代码比较简单,还原成源码是这样子的:

void __fastcall KiAcquireSpinLock(int _ECX)
{
  while ( 1 )
  {
    __asm { lock bts dword ptr [ecx], 0 }
    if ( !_CF )
      break;
    while ( *(_DWORD *)_ECX & 1 )
      __asm { pause }//应是rep nop,IDA将其翻译成pause
  }
}

fastcall方式调用,参数KSPIN_LOCK在ECX中,可以看到是一个死循环,先测试其是否置位,若否,则CF将置0,并将ECX置位,即获取锁的操作成功;若是,即锁已被占有,则一直对其进行测试并进入空转状态,这和前面分析的完全一致,只是代码似乎更精炼了一点,毕竟是实用的玩意嘛。 再来看看释放时:

.text:004689E0                 public KiReleaseSpinLock
.text:004689E0 KiReleaseSpinLock proc near             ; CODE XREF: sub_41702E+E p
.text:004689E0                                         ; sub_4206D0+5 j ...
.text:004689E0                 mov     byte ptr [ecx], 0
.text:004689E3                 retn
.text:004689E3 KiReleaseSpinLock endp

这个再清楚不过了,直接设置为0就代表了将其释放,此时那些如虎狼般疯狂空转的其它处理器将马上获知这一信息,于是,下一个获取、释放的过程开始了。这就是最基本的自旋锁,其它一些自旋锁形式是对这种基本形式的扩充。比如排队自旋锁,是为了解决多处理器竞争时的无序状态等等,不多说了。 现在对自旋锁可谓真的是明明白白了,之前我犯的错误就是以为用了自旋锁就能保证多核同步,其实不是的,用自旋锁来保证多核同步的前提是大家都要用这个锁。若当前处理器已占有自旋锁,只有别的处理器也来请求这个锁时,才会进入空转,不进行别的操作,这时你的操作将不会受到干扰。

参考链接: 【原创】明明白白自旋锁 Linux 内核的排队自旋锁(FIFO Ticket Spinlock) Linux 内核的同步机制,第 1 部分

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