Linux内核30-读写自旋锁

Tupelo

发布于 2022-08-15 16:01:40

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发布于 2022-08-15 16:01:40

1 读/写自旋锁概念

自旋锁解决了多核系统在内核抢占模式下的数据共享问题。但是，这样的自旋锁一次只能一个内核控制路径使用，这严重影响了系统的并发性能。根据我们以往的开发经验，大部分的程序都是读取共享的数据，并不更改；只有少数时候会修改数据。为此，Linux内核提出了读/写自旋锁的概念。也就是说，没有内核控制路径修改共享数据的时候，多个内核控制路径可以同时读取它。如果有内核控制路径想要修改这个数据结构，它就请求读/写自旋锁的写自旋锁，独占访问这个资源。这大大提高了系统的并发性能。

2 读写自旋锁的数据结构

读/写自旋锁的数据结构是rwlock_t，其定义如下：

typedef struct {
    arch_rwlock_t raw_lock;
#ifdef CONFIG_GENERIC_LOCKBREAK
    unsigned int break_lock;
#endif
    ......
} rwlock_t;

从上面的代码可以看出，读/写自旋锁的实现还是依赖于具体的架构体系。下面我们先以ARM体系解析一遍：

arch_rwlock_t的定义：

typedef struct {
    u32 lock;
} arch_rwlock_t;

3 读写自旋锁API实现

请求写自旋锁arch_write_lock的实现：

static inline void arch_write_lock(arch_rwlock_t *rw)
{
    unsigned long tmp;

    prefetchw(&rw->lock);   // ----------（0）
    __asm__ __volatile__(
"1: ldrex   %0, [%1]\n"     // ----------（1）
"   teq %0, #0\n"           // ----------（2）
    WFE("ne")               // ----------（3）
"   strexeq %0, %2, [%1]\n" // ----------（4）
"   teq %0, #0\n"           // ----------（5）
"   bne 1b"                 // ----------（6）
    : "=&r" (tmp)
    : "r" (&rw->lock), "r" (0x80000000)
    : "cc");

    smp_mb();               // ----------（7）
}

（0）通知硬件提前将rw->lock的值加载到cache中，缩短等待预取指令的时延。
（1）使用独占指令ldrex标记相应的内存位置已经被独占，并将其值存储到tmp变量中。
（2）判断tmp是否等于0。
（3）如果tmp不等于0，则说明rw->lock正在被占用，所以进入低功耗待机模式。
（4）如果tmp等于0，则向rw->lock的内存地址处写入0x80000000，然后清除独占标记。
（5）测试tmp是否等于0，相当于验证第4步是否成功。
（6）如果加锁失败，则重新（0）->（5）的过程。
（7）现在只是把指令写入到数据总线上，还没有完全成功。所以smp_mb()内存屏障保证加锁成功。

写自旋锁的释放过程，arch_write_unlock函数实现，代码如下：

static inline void arch_write_unlock(arch_rwlock_t *rw)
{
    smp_mb();           // ----------（0）

    __asm__ __volatile__(
    "str    %1, [%0]\n" // ----------（1）
    :
    : "r" (&rw->lock), "r" (0)
    : "cc");

    dsb_sev();          // ----------（2）
}

（0）保证释放锁之前的操作都完成。
（1）将rw->lock的值赋值为0。
（2）调用sev指令，唤醒正在执行WFE指令的内核控制路径。

读自旋锁的释放过程（低功耗版）由arch_read_lock函数实现，代码如下：

static inline void arch_read_lock(arch_rwlock_t *rw)
{
    unsigned long tmp, tmp2;

    prefetchw(&rw->lock);
    __asm__ __volatile__(
"1: ldrex   %0, [%2]\n"     // ----------（0）
"   adds    %0, %0, #1\n"   // ----------（1）
"   strexpl %1, %0, [%2]\n" // ----------（2）
    WFE("mi")               // ----------（3）
"   rsbpls  %0, %1, #0\n"   // ----------（4）
"   bmi 1b"                 // ----------（5）
    : "=&r" (tmp), "=&r" (tmp2)
    : "r" (&rw->lock)
    : "cc");

    smp_mb();
}

（0）读取rw->lock地址处的内容，然后标记为独占。
（1）tmp=tmp+1。
（2）将这条指令的执行结果写入到tmp2变量中，将tmp的值写入到rw->lock地址处。
（3）如果tmp是负值，说明锁已经被占有，则执行wfe指令，进入低功耗待机模式。
（4）执行0减去tmp2，将结果写入tmp。因为tmp2的值有2个：0-更新成功；1-更新失败。所以正常情况，此时tmp的结果应该为0，也就是释放加锁成功。
（5）如果加锁失败，则重新进行（0）->（4）的操作。失败的可能就是，独占标记被其它加锁操作破坏。

读自旋锁的释放过程（不断尝试版）由arch_read_trylock函数实现，代码如下：

static inline int arch_read_trylock(arch_rwlock_t *rw)
{
    unsigned long contended, res;

    prefetchw(&rw->lock);
    do {
        __asm__ __volatile__(
        "   ldrex   %0, [%2]\n"     // ----------（0）
        "   mov %1, #0\n"           // ----------（1）
        "   adds    %0, %0, #1\n"   // ----------（2）
        "   strexpl %1, %0, [%2]"   // ----------（3）
        : "=&r" (contended), "=&r" (res)
        : "r" (&rw->lock)
        : "cc");
    } while (res);                  // ----------（4）

    /* 如果lock为负，则已经处于write状态 */
    if (contended < 0x80000000) {   // ----------（5）
        smp_mb();
        return 1;
    } else {
        return 0;
    }
}

根据4和5两个释放锁的过程分析，可以看出除了是否根据需要进入低功耗状态之外，其它没有区别。

（0）读取rw->lock地址处的内容，然后标记为独占。
（1）res = 0。
（2）contended = contended + 1。
（3）将contended的值写入rw->lock地址处，操作结果写入res。
（4）如果res等于0，操作成功；否则重新前面的操作。
（5）如果此时处于write状态，则释放锁失败，返回1；否则，成功返回0。

读自旋锁的释放过程由arch_read_unlock函数实现，代码如下：

static inline void arch_read_unlock(arch_rwlock_t *rw)
{
    unsigned long tmp, tmp2;

    smp_mb();

    prefetchw(&rw->lock);
    __asm__ __volatile__(
"1: ldrex   %0, [%2]\n"     // ----------（0）
"   sub %0, %0, #1\n"       // ----------（1）
"   strex   %1, %0, [%2]\n" // ----------（2）
"   teq %1, #0\n"           // ----------（3）
"   bne 1b"                 // ----------（4）
    : "=&r" (tmp), "=&r" (tmp2)
    : "r" (&rw->lock)
    : "cc");

    if (tmp == 0)
        dsb_sev();
}

通过上面的分析可以看出，读写自旋锁使用bit31表示写自旋锁，bit30-0表示读自旋锁，对于读自旋锁而言，绰绰有余了。

成员break_lock

对于另一个成员break_lock来说，同自旋锁数据结构中的成员一样，标志锁的状态。

rwlock_init宏初始化读写锁的lock成员。

对于X86系统来说，处理的流程跟ARM差不多。但是，因为与ARM架构体系不同，所以具体的加锁和释放锁的实现是不一样的。在此，就不一一细分析了。

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原始发表：2020-04-09，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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