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背景 由于在多处理器环境中某些资源的有限性，有时需要互斥访问(mutual exclusion)，这时候就需要引入锁的概念，只有获取了锁的任务才能够对资源进行访问，由于多线程的核心是CPU的时间分片，所以同一时刻只能有一个任务获取到锁。 内核当发生访问资源冲突的时候，通常有两种处理方式：
Spinlock 是内核中提供的一种比较常见的锁机制，自旋锁是“原地等待”的方式解决资源冲突的。即，一个线程获取了一个自旋锁后，另外一个线程期望获取该自旋锁，获取不到，只能够原地“打转”（忙等待）。 由于自旋锁的这个忙等待的特性，注定了它使用场景上的限制 —— 自旋锁不应该被长时间的持有（消耗 CPU 资源）。 自旋锁的优点自旋锁不会使线程状态发生切换，一直处于用户态，即线程一直都是active的；不会使线程进入阻塞状态，减少了不必要的上下文切换，执行速度快。 非自旋锁在获取不到锁的时候会进入阻塞状态，从而进入内核态，当获取到锁的时候需要从内核态恢复，需要线程上下文切换。（线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能）。 自旋锁的使用在linux kernel的实现中，经常会遇到这样的场景：共享数据被中断上下文和进程上下文访问，该如何保护呢？ 如果只有进程上下文的访问，那么可以考虑使用semaphore或者mutex的锁机制，但是现在中断上下文也掺和进来，那些可以导致睡眠的lock就不能使用了，这时候，可以考虑使用spin lock。 在中断上下文，是不允许睡眠的，所以，这里需要的是一个不会导致睡眠的锁——spinlock。 换言之，中断上下文要用锁，首选 spinlock。 使用自旋锁，有两种方式定义一个锁： 动态的： spinlock_t lock;spin_lock_init (&lock); 静态的： DEFINE_SPINLOCK(lock);使用步骤 spinlock的使用很简单:
使用实例 static spinlock_t lock;static int flage = 1; spin_lock_init(&lock); static int hello_open (struct inode *inode, struct file *filep) { spin_lock(&lock); if(flage !=1) { spin_unlock(&lock); return -EBUSY; } flage =0; spin_unlock(&lock); return 0; } static int hello_release (struct inode *inode, struct file *filep) { flage = 1; return 0; } 补充 中断上下文不能睡眠的原因是：
但在中断处理程序里，CPU寄存器的值肯定已经变化了吧（最重要的程序计数器PC、堆栈SP等），如果此时因为睡眠或阻塞操作调用了schedule()，则保存的进程上下文就不是当前的进程context了.所以不可以在中断处理程序中调用schedule()。
BUG(); 因此，强行调用schedule()的结果就是内核BUG。
自旋锁不可递归，自己等待自己已经获取的锁，会导致死锁。 自旋锁可以在中断上下文中使用，但是试想一个场景：一个线程获取了一个锁，但是被中断处理程序打断，中断处理程序也获取了这个锁（但是之前已经被锁住了，无法获取到，只能自旋），中断无法退出，导致线程中后面释放锁的代码无法被执行，导致死锁。（如果确认中断中不会访问和线程中同一个锁，其实无所谓）。 一、考虑下面的场景（内核抢占场景）： （1）进程A在某个系统调用过程中访问了共享资源 R （2）进程B在某个系统调用过程中也访问了共享资源 R 会不会造成冲突呢？ 假设在A访问共享资源R的过程中发生了中断，中断唤醒了沉睡中的，优先级更高的B，在中断返回现场的时候，发生进程切换，B启动执行，并通过系统调用访问了R，如果没有锁保护，则会出现两个thread进入临界区，导致程序执行不正确。OK，我们加上spin lock看看如何：A在进入临界区之前获取了spin lock，同样的，在A访问共享资源R的过程中发生了中断，中断唤醒了沉睡中的，优先级更高的B，B在访问临界区之前仍然会试图获取spin lock，这时候由于A进程持有spin lock而导致B进程进入了永久的spin……怎么破？linux的kernel很简单，在A进程获取spin lock的时候，禁止本CPU上的抢占（上面的永久spin的场合仅仅在本CPU的进程抢占本CPU的当前进程这样的场景中发生）。如果A和B运行在不同的CPU上，那么情况会简单一些：A进程虽然持有spin lock而导致B进程进入spin状态，不过由于运行在不同的CPU上，A进程会持续执行并会很快释放spin lock，解除B进程的spin状态。 二、再考虑下面的场景（中断上下文场景）：
在这样的场景下，使用spin lock可以保护访问共享资源R的临界区吗？ 我们假设CPU0上的进程A持有spin lock进入临界区，这时候，外设P发生了中断事件，并且调度到了CPU1上执行，看起来没有什么问题，执行在CPU1上的handler会稍微等待一会CPU0上的进程A，等它立刻临界区就会释放spin lock的，但是，如果外设P的中断事件被调度到了CPU0上执行会怎么样？CPU0上的进程A在持有spin lock的状态下被中断上下文抢占，而抢占它的CPU0上的handler在进入临界区之前仍然会试图获取spin lock，悲剧发生了，CPU0上的P外设的中断handler永远的进入spin状态，这时候，CPU1上的进程B也不可避免在试图持有spin lock的时候失败而导致进入spin状态。为了解决这样的问题，linux kernel采用了这样的办法：如果涉及到中断上下文的访问，spin lock需要和禁止本 CPU 上的中断联合使用。 三、再考虑下面的场景（底半部场景） linux kernel中提供了丰富的bottom half的机制，虽然同属中断上下文，不过还是稍有不同。我们可以把上面的场景简单修改一下：外设P不是中断handler中访问共享资源R，而是在的bottom half中访问。使用spin lock+禁止本地中断当然是可以达到保护共享资源的效果，但是使用牛刀来杀鸡似乎有点小题大做，这时候disable bottom half就可以了。 四、中断上下文之间的竞争 同一种中断handler之间在uni core和multi core上都不会并行执行，这是linux kernel的特性。如果不同中断handler需要使用spin lock保护共享资源，对于新的内核（不区分fast handler和slow handler），所有handler都是关闭中断的，因此使用spin lock不需要关闭中断的配合。bottom half又分成softirq和tasklet，同一种softirq会在不同的CPU上并发执行，因此如果某个驱动中的softirq的handler中会访问某个全局变量，对该全局变量是需要使用spin lock保护的，不用配合disable CPU中断或者bottom half。tasklet更简单，因为同一种tasklet不会多个CPU上并发。 自旋锁的实现原理数据结构 首先定义一个 spinlock_t 的数据类型，其本质上是一个整数值（对该数值的操作需要保证原子性），该数值表示spin lock是否可用。初始化的时候被设定为1。当thread想要持有锁的时候调用spin_lock函数，该函数将spin lock那个整数值减去1，然后进行判断，如果等于0，表示可以获取spin lock，如果是负数，则说明其他thread的持有该锁，本thread需要spin。 内核中的spinlock_t的数据类型定义如下： typedef struct spinlock {struct raw_spinlock rlock; } spinlock_t; typedef struct raw_spinlock { arch_spinlock_t raw_lock; } raw_spinlock_t; 通用（适用于各种arch）的spin lock使用spinlock_t这样的type name，各种arch定义自己的struct raw_spinlock。听起来不错的主意和命名方式，直到linux realtime tree（PREEMPT_RT）提出对spinlock的挑战。 spin lock的命名规范定义如下：
同样的，这里也只是选择一个典型的API来分析，其他的大家可以自行学习。我们选择的是 arch_spin_lock，其ARM32的代码如下： static inline void arch_spin_lock(arch_spinlock_t *lock){ unsigned long tmp; u32 newval; arch_spinlock_t lockval; prefetchw(&lock->slock);－－－－－－－－－（0） __asm__ __volatile__( "1: ldrex %0, [%3]\n"－－－－－－－－－（1） " add %1, %0, %4\n" －－－－－－－－－－（2） " strex %2, %1,[%3]\n"－－－－－－－－－（3） " teq %2, #0\n"－－－－－－－－－－－－－（4） " bne 1b" : "=&r" (lockval), "=&r" (newval), "=&r" (tmp) : "r" (&lock->slock), "I" (1 << TICKET_SHIFT) : "cc"); while (lockval.tickets.next != lockval.tickets.owner) {－－－－（5） wfe();－－－－－－－－－－－－（6） lockval.tickets.owner = ACCESS_ONCE(lock->tickets.owner);－－－－（7） } smp_mb();－－－－－－－－－－－（8） } （0）和preloading cache相关的操作，主要是为了性能考虑 （1）lockval = lock->slock (如果lock->slock没有被其他处理器独占，则标记当前执行处理器对lock->slock地址的独占访问；否则不影响) （2）newval = lockval + (1 << TICKET_SHIFT) （3）strex tmp, newval, [&lock->slock] (如果当前执行处理器没有独占lock->slock地址的访问，不进行存储，返回1给temp；如果当前处理器已经独占lock->slock内存访问，则对内存进行写，返回0给temp，清除独占标记) lock->tickets.next = lock->tickets.next + 1 （4）检查是否写入成功 lockval.tickets.next （5）初始化时lock->tickets.owner、lock->tickets.next都为0，假设第一次执行arch_spin_lock，lockval = *lock，lock->tickets.next++，lockval.tickets.next 等于 lockval.tickets.owner，获取到自旋锁；自旋锁未释放，第二次执行的时候，lock->tickets.owner = 0, lock->tickets.next = 1，拷贝到lockval后，lockval.tickets.next != lockval.tickets.owner，会执行wfe等待被自旋锁释放被唤醒，自旋锁释放时会执行 lock->tickets.owner++，lockval.tickets.owner重新赋值 （6）暂时中断挂起执行。如果当前spin lock的状态是locked，那么调用wfe进入等待状态。更具体的细节请参考ARM WFI和WFE指令中的描述。 （7）其他的CPU唤醒了本cpu的执行，说明owner发生了变化，该新的own赋给lockval，然后继续判断spin lock的状态，也就是回到step 5。 （8）memory barrier的操作，具体可以参考memory barrier中的描述。 释放锁static inline void arch_spin_unlock(arch_spinlock_t *lock) { smp_mb(); lock->tickets.owner++; ---------------------- (0) dsb_sev(); ---------------------------------- (1) }
1）拥有自旋锁的进程A在内核态阻塞了，内核调度B进程，碰巧B进程也要获得自旋锁，此时B只能自旋转。而此时抢占已经关闭，不会调度A进程了，B永远自旋，产生死锁。 2）进程A拥有自旋锁，中断到来，CPU执行中断函数，中断处理函数，中断处理函数需要获得自旋锁，访问共享资源，此时无法获得锁，只能自旋，产生死锁。 如何避免死锁
因为自旋锁持有时间非常短，没有直观的现象，下面举一个会导致死锁的实例。 运行条件
针对单CPU，拥有自旋锁的任务不应该调度会引起休眠的函数，否则会导致死锁。 步骤：
驱动代码如下： #include <linux/init.h>#include <linux/module.h> #include <linux/kdev_t.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/cdev.h> #include <linux/device.h> #include <linux/spinlock.h> static int major = 250; static int minor = 0; static dev_t devno; static struct cdev cdev; static struct class *cls; static struct device *test_device; static spinlock_t lock; static int flage = 1; #define DEAD 1 static int hello_open (struct inode *inode, struct file *filep) { spin_lock(&lock); if(flage !=1) { spin_unlock(&lock); return -EBUSY; } flage =0; #if DEAD #elif spin_unlock(&lock); #endif return 0; } static int hello_release (struct inode *inode, struct file *filep) { flage = 1; #if DEAD spin_unlock(&lock); #endif return 0; } static struct file_operations hello_ops = { .open = hello_open, .release = hello_release, }; static int hello_init(void) { int result; int error; printk("hello_init \n"); result = register_chrdev( major, "hello", &hello_ops); if(result < 0) { printk("register_chrdev fail \n"); return result; } devno = MKDEV(major,minor); cls = class_create(THIS_MODULE,"helloclass"); if(IS_ERR(cls)) { unregister_chrdev(major,"hello"); return result; } test_device = device_create(cls,NULL,devno,NULL,"test"); if(IS_ERR(test_device )) { class_destroy(cls); unregister_chrdev(major,"hello"); return result; } spin_lock_init(&lock); return 0; } static void hello_exit(void) { printk("hello_exit \n"); device_destroy(cls,devno); class_destroy(cls); unregister_chrdev(major,"hello"); return; } module_init(hello_init); module_exit(hello_exit); MODULE_LICENSE("GPL"); 测试程序如下： #include <stdio.h>#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> main() { int fd; fd = open("/dev/test",O_RDWR); if(fd<0) { perror("open fail \n"); return; } sleep(20); close(fd); printf("open ok \n "); } 测试步骤：
insmod hello.ko
./a
./b 注意，一定要在进程A没有退出的时候运行进程B。 |
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