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自旋锁 |
内核同步 |
自旋锁... |
自旋锁 spin_lock |
在同步技术中，最为广泛应用的就是加锁（locking）机制了。当内核控制路径必须访问共享数据结构或进入临界区时，就需要为自己获取一把『锁』。由锁机制保护的资源非常类似于限制于房间内的资源，如果某人进入房间，就把门锁上，等这个人使用完成后，后面的人才可以使用。
当内核控制路径希望访问某个同步的资源，就需要试图获取钥匙『打开门』，当且仅当资源空闲时，它才能成功，然后，只要它还想继续使用这个资源，那么锁就会一直关闭着。当内核控制路径不再使用资源，就释放了锁，门就打开了，另一个内核控制路径就可以访问。
自旋锁（spin lock）是用来在多处理环境中工作的一种特殊的锁，如果内核控制路径发现自旋锁开着，就获取锁并继续自己的执行，相反，如果内核控制路径发现锁由运行在另一个CPU上的内核控制路径『锁着』，就在周围『旋转』，反复执行一条紧密的循环指令1，直到锁被释放。
自旋锁的循环指令表示『busy』，即使等待的内核控制路径无事可做，它也在CPU上保持运行。但是自旋锁非常方便，因为很多内核资源只锁1毫秒的时间片段，所以说，释放CPU和随后又获得CPU都不会消耗多少时间。
一般来说，由自旋锁所保护的每个临界区都是禁止内核抢占的，在单处理器系统上，这种锁并不起锁的作用，自旋锁紧紧是禁止或启用内核抢占。在自旋锁等待的时候，内核抢占依旧有效，因此，等待自旋锁释放的进程有可能被更高的优先级的进程替代。
在Linux中，每个自旋锁都用spinlock_t结构表示：
{% highlight c++ %} typedef struct { raw_spinlock_t raw_lock; #ifdef CONFIG_GENERIC_LOCKBREAK unsigned int break_lock; #endif #ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK unsigned int magic, owner_cpu; void *owner; #endif #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC struct lockdep_map dep_map; #endif } spinlock_t; {% endhighlight %}
其中raw_spinlock_t代码为：
{% highlight c++ %} typedef struct { volatile unsigned int slock; } {% endhighlight %}
其中主要的两个参数为slock和break_lock，其中slock表示自旋锁的状态，值为1则表示『未枷锁』状态，而任何负数和0都表示已加锁的状态。而break_lock表示进程正在等待自旋锁2。
与自旋锁有关的宏如下。
| 宏 | 说明 |
|---|---|
| spin_lock_init() | 把自旋锁设置为1，未锁的状态 |
| spin_lock() | 循环，知道自旋锁变为1，然后把自旋锁设置为0 |
| spin_unlock() | 把自旋锁设置为1 |
| spin_unlock_wait() | 等待，直到自旋锁变为1 |
| spin_is_locked() | 如果自旋锁设置为1，返回0，否则返回1 |
| spin_trylock() | 把自旋锁设置为0，若原来锁是1，则返回1，否则为0 |
自旋锁的实现和体系结构相关，也和编译时是否允许内核抢占有关，所以这个笔记就仅仅列举了逻辑，并不会找代码，代码实际上可以在*<include/linux/spinlick.h>*中找，内核提供了两种api接口，一个是smp api，另一个是up api。
在支持内核抢占的情况下，这个宏会获取自旋锁的地址slp作为它的参数，并执行下面的操作。
- 调用*preemet_disbale()*禁用内核抢占。
- 调用函数*__raw_spin_trylock()，它对自旋锁的slock*字段执行原子性的测试和设置操作。
- 如果自旋锁中是开着的，则宏结束，内核控制路径获得自旋锁。
- 否则内核控制路径无法获得自旋锁，因此宏必须执行循环一直到其他CPU上运行的内核控制路路径释放自旋锁。
- 如果break_lock字段等于0，则设置为1，通过监测该字段，拥有锁并在其他CPU上运行的进程可以知道是否有其他进程在等待这个锁。
- 执行紧密的循环。
- 跳转到第一步再次试图获取自旋锁。
如果在没有选择内核抢占的情况下，spin_lock所做的操作就非常不同，宏生成一个汇编语言片段，用于下面紧凑的循环3：
{% highlight asm %} 1: lock; decb slp->lock jns sf 2: pause cmpb $0, slp->slock jle 2b mp 1b 3: {% endhighlight %}
汇编语言指令decb递减自旋锁的值，该指令是原子的，因为带有lock字节前缀，随后检测符号标志，如果它被清0，说明自旋锁被设置为1，因此从标记3处继续执行，否则在标签2处执行紧凑的循环直到自旋锁出现正直，然后从标签1处开始执行。