Linux内核28-自旋锁

Tupelo

发布于 2022-08-15 15:56:44

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发布于 2022-08-15 15:56:44

文章被收录于专栏：嵌入式ARM和Linux

1 引言

使用最广泛的同步技术就是加锁。对于锁概念，我相信大家已经不陌生了，不论是实时嵌入式系统还是服务器上的操作系统，都使用了这个概念。所以对于锁的理解就不再赘述了。

自旋锁是设计用来在多核系统中工作的一种特殊锁。如果内核控制路径发现自旋锁空闲，则申请加锁然后执行。相反，如果发现锁已经被其它CPU上的内核控制路径占用，它就会一直自旋，就是在循环查看锁是否已经释放，直到该锁被释放。

自旋锁的自旋过程就是一个忙等待的过程。也就是说，正在等待的内核控制路径正在浪费时间，因为什么也不干。但是，大部分的内核资源加锁的时间可能仅为毫秒的几分之一，因此，释放CPU使用权再获取可能比一直等待更消耗时间。所以，自旋锁使用的场合就是，内核资源的占用时间一般比较短，且是多核系统的时候。

2 自旋锁结构实现

Linux内核系统中，自旋锁spinlock_t的实现主要使用了raw_spinlock_t结构，这个结构的实现，参考下面的代码：

typedef struct raw_spinlock {
    arch_spinlock_t raw_lock;
#ifdef CONFIG_GENERIC_LOCKBREAK
    unsigned int break_lock;
#endif
    ...
} raw_spinlock_t;
typedef struct spinlock {
    union {
        struct raw_spinlock rlock;
        ...
    };
} spinlock_t;

上面的代码中，核心的数据成员是raw_lock和break_lock。对于raw_lock来说，其类型为arch_spinlock_t，从名称上也能看出，这个结构是跟体系结构相关的。

raw_lock 表示自旋锁的状态，依赖于具体的架构实现。
break_lock 标志着进程正在忙等待锁（仅当内核同时支持SMP和内核抢占时才会出现）。

接下来，我们分析加锁的流程。

3 spin_lock()函数

本章我们直接看源代码，用函数出现的顺序表示函数调用的顺序。首先，看加锁的函数为:

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

raw_spin_lock函数的代码如下：

#define raw_spin_lock(lock) _raw_spin_lock(lock)

_raw_spin_lock函数分为2个版本：SMP版本和UP版本。

3.1 UP版本实现

_raw_spin_lock函数：

#define _raw_spin_lock(lock)            __LOCK(lock)

__LOCK函数代码如下：

#define __LOCK(lock) \
        do { preempt_disable(); ___LOCK(lock); } while (0)

可以看出，首先禁止内核抢占。然后调用

#define ___LOCK(lock) \
        do { __acquire(lock); (void)(lock); } while (0)

从上面的代码可以看出，单核系统没有处于debug状态时，没有真正的锁在运行。因此，就是禁止了内核抢占。至于void是避免编译器对未使用的锁变量发出警告。__acquire(lock)就是给检查器（CHECKER）添加适当的注释。真正的定义就是# define __acquire(x) (void)0。

3.2 SMP版本实现

_raw_spin_lock函数：

static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)
{
    // 禁止内核抢占
    preempt_disable();
    // debug用
    spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_);
    // 真正申请锁的地方
    LOCK_CONTENDED(lock, do_raw_spin_trylock, do_raw_spin_lock);
}

LOCK_CONTENDED是一个通用的加锁流程。do_raw_spin_trylock和do_raw_spin_lock的实现依赖于具体的体系结构，以x86为例，do_raw_spin_trylock最终调用的是：

static inline int do_raw_spin_trylock(raw_spinlock_t *lock)
{
    return arch_spin_trylock(&(lock)->raw_lock);
}

arch_spin_trylock函数的实现依赖于具体的体系架构，以X86为例，代码如下：

typedef struct arch_spinlock {
    union {
        __ticketpair_t head_tail;
        struct __raw_tickets {
            __ticket_t head, tail; // 注意，x86使用的是小端模式，存在高地址空间的是tail
        } tickets;
    };
} arch_spinlock_t;

static __always_inline int arch_spin_trylock(arch_spinlock_t *lock)
{
    arch_spinlock_t old, new;

    // 获取旧的ticket信息
    old.tickets = READ_ONCE(lock->tickets);
    // head和tail不一致，说明锁正在被占用，加锁不成功
    if (!__tickets_equal(old.tickets.head, old.tickets.tail))
        return 0;

    // 将tail + 1
    new.head_tail = old.head_tail + (TICKET_LOCK_INC << TICKET_SHIFT);
    new.head_tail &= ~TICKET_SLOWPATH_FLAG;

    /* cmpxchg是一个完整的内存屏障 */
    return cmpxchg(&lock->head_tail, old.head_tail, new.head_tail) == old.head_tail;
}

从上述代码中可知，arch_spin_trylock的核心功能，就是判断自旋锁是否被占用，如果没被占用，尝试原子性地更新lock中的head_tail的值，将tail+1，返回是否加锁成功。

不考虑CONFIG_DEBUG_SPINLOCK宏的话，do_raw_spin_lock的源代码如下：

static inline void do_raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock) __acquires(lock)
{
    __acquire(lock);
    arch_spin_lock(&lock->raw_lock);
}

arch_spin_lock函数的源代码：

static __always_inline void arch_spin_lock(arch_spinlock_t *lock)
{
    register struct __raw_tickets inc = { .tail = TICKET_LOCK_INC };

    // 原子性地把ticket中的tail+1，返回的inc是+1之前的原始值
    inc = xadd(&lock->tickets, inc);
    if (likely(inc.head == inc.tail))
        goto out;

    for (;;) {
        unsigned count = SPIN_THRESHOLD;

        do {
            // 读取新的head值
            inc.head = READ_ONCE(lock->tickets.head);
            if (__tickets_equal(inc.head, inc.tail))
                goto clear_slowpath;
            cpu_relax();
        } while (--count);
        __ticket_lock_spinning(lock, inc.tail);
    }
// 循环直到head和tail相等
clear_slowpath:
    __ticket_check_and_clear_slowpath(lock, inc.head);
out:
    barrier();  /* make sure nothing creeps before the lock is taken */
}

__ticket_check_and_clear_slowpath函数执行的操作是把tail加1，并把之前的值记录下来，完成加锁操作。

static inline void __ticket_check_and_clear_slowpath(arch_spinlock_t *lock,
                            __ticket_t head)
{
    if (head & TICKET_SLOWPATH_FLAG) {
        arch_spinlock_t old, new;

        old.tickets.head = head;
        new.tickets.head = head & ~TICKET_SLOWPATH_FLAG;
        old.tickets.tail = new.tickets.head + TICKET_LOCK_INC;
        new.tickets.tail = old.tickets.tail;

        /* try to clear slowpath flag when there are no contenders */
        cmpxchg(&lock->head_tail, old.head_tail, new.head_tail);
    }
}

至此，就完成了申请锁的操作。接下来我们再来研究一下，解锁流程。

4. spin_unlock函数

对于SMP架构来说，spin_unlock最终调用的是__raw_spin_unlock，其源代码如下：

static inline void __raw_spin_unlock(raw_spinlock_t *lock)
{
    spin_release(&lock->dep_map, 1, _RET_IP_);
    do_raw_spin_unlock(lock);   // 完成主要的解锁工作
    preempt_enable();           // 启动抢占
}

static inline void do_raw_spin_unlock(raw_spinlock_t *lock) __releases(lock)
{
    arch_spin_unlock(&lock->raw_lock);
    __release(lock);
}

arch_spin_unlock函数的代码如下：

static __always_inline void arch_spin_unlock(arch_spinlock_t *lock)
{
    if (TICKET_SLOWPATH_FLAG &&
        static_key_false(&paravirt_ticketlocks_enabled)) {
        __ticket_t head;

        BUILD_BUG_ON(((__ticket_t)NR_CPUS) != NR_CPUS);

        // 主要内容：将head+1；所以现在head>tail表示锁又空闲了。
        head = xadd(&lock->tickets.head, TICKET_LOCK_INC);

        if (unlikely(head & TICKET_SLOWPATH_FLAG)) {
            head &= ~TICKET_SLOWPATH_FLAG;
            __ticket_unlock_kick(lock, (head + TICKET_LOCK_INC));
        }
    } else
        __add(&lock->tickets.head, TICKET_LOCK_INC, UNLOCK_LOCK_PREFIX);
}

所以，解锁的过程就是将head和tail不相等，且重新使能内核抢占的过程。

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原始发表：2020-04-06，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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