Linux內(nèi)核同步機(jī)制的自旋鎖原理及綜合應(yīng)用實(shí)例

一、自旋鎖

自旋鎖是專為防止多處理器并發(fā)而引入的一種鎖，它在內(nèi)核中大量應(yīng)用于中斷處理等部分(對(duì)于單處理器來說，防止中斷處理中的并發(fā)可簡單采用關(guān)閉中斷的方式，即在標(biāo)志寄存器中關(guān)閉/打開中斷標(biāo)志位，不需要自旋鎖)。

自旋就是自己連續(xù)的循環(huán)等待。如果你有抱著你的愛人旋轉(zhuǎn)的經(jīng)歷，那么你應(yīng)該知道一件事情，為了安全，你不能旋轉(zhuǎn)太久，你的愛人如果頭昏，也想你早日釋放。是的，自旋的缺點(diǎn)，就是它頻繁的循環(huán)直到等待鎖的釋放，將它用于可以快速完成的代碼中才好。

自旋不能搶占，但能中斷。
 
相關(guān)話題：SMP和cpu。多個(gè)cpu和單個(gè)cpu。很多書說自旋鎖只能在多處理機(jī)中使用，這是不正確的。

首先定義
Spinlock_t lock;
對(duì)不起，我只能找到arm平臺(tái)的鎖了
/*
 * ARMv6 Spin-locking.
 *
 * We (exclusively) read the old value, and decrement it.  If it
 * hits zero, we may have won the lock, so we try (exclusively)
 * storing it.
 *
 * Unlocked value: 0
 * Locked value: 1
 */
typedef struct {
 volatile unsigned int lock;
#ifdef CONFIG_PREEMPT
 unsigned int break_lock;
#endif
} spinlock_t;
補(bǔ)上x86平臺(tái)
#define SPINLOCK_MAGIC 0x1D244B3C
typedef struct {
 unsigned long magic;
 volatile unsigned long lock;
 volatile unsigned int babble;
 const char *module;    // 所屬模塊
 char *owner;
 int oline;
} spinlock_t;
Lock為0時(shí)可以用，1是等待。0像鎖孔，當(dāng)沒有鑰匙插進(jìn)去時(shí)，它才可以插進(jìn)去

怎么初始化呢？
#define spin_lock_init(x)
 do {
  (x)->magic = SPINLOCK_MAGIC;
  (x)->lock = 0;                ；0初始化，表示可用
  (x)->babble = 5;
  (x)->module = __FILE__;      
  (x)->owner = NULL;
  (x)->oline = 0;
 } while (0)
定義一個(gè)自旋鎖的方法很有意思，
Spinlock_t lock=？？？？？

可以通過spin_lock
Spin_lock_irqsave 來調(diào)用自旋鎖，后者不允許中斷。前者有可能在上鎖中發(fā)生中斷。
還有spin_trylock 這是一個(gè)絕不妥協(xié)的函數(shù)，它不等待。

恢復(fù)為spin_unlock
Spin_unlock_irqrestore

考查下面代碼
#define spin_lock_irqsave(lock, flags) _spin_lock_irqsave(lock, flags)
#define _spin_lock_irqsave(lock, flags)
do { 
 local_irq_save(flags);       保存中斷請(qǐng)求標(biāo)志
 preempt_disable();          不允許搶占
 _raw_spin_lock(lock);
 __acquire(lock);
} while (0)

二、自旋鎖綜合使用
下面是一個(gè)使用的例子，你可以使用source insight查到它
/* never called when PTRS_PER_PMD > 1 */
void pgd_dtor(void *pgd, kmem_cache_t *cache, unsigned long unused)
{
 unsigned long flags; /* can be called from interrupt context */

 spin_lock_irqsave(&pgd_lock, flags);  枷鎖
 pgd_list_del(pgd);
 spin_unlock_irqrestore(&pgd_lock, flags); 釋放
}

中斷枷鎖
#define spin_lock_irqsave(lock, flags) _spin_lock_irqsave(lock, flags)
分析
unsigned long __lockfunc _spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock)
{
 unsigned long flags;

 local_irq_save(flags); 將寄存器存入flags，并關(guān)中斷
 preempt_disable();   搶占鎖
 _raw_spin_lock_flags(lock, flags);  枷鎖
 return flags;
}
EXPORT_SYMBOL(_spin_lock_irqsave);[!--empirenews.page--]

繼續(xù)
/* For spinlocks etc */
#define local_irq_save(x) __asm__ __volatile__("pushfl ; popl %0 ; cli":"=g" (x): /* no input */ :"memory")
將標(biāo)志寄存器的內(nèi)容放在內(nèi)存x中。請(qǐng)查看gcc匯編

繼續(xù)
static inline void _raw_spin_lock_flags (spinlock_t *lock, unsigned long flags)
{
#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK
 if (unlikely(lock->magic != SPINLOCK_MAGIC)) {
  printk("eip: %p ", __builtin_return_address(0));
  BUG();
 }
#endif
 __asm__ __volatile__(
  spin_lock_string_flags
  :"=m" (lock->slock) : "r" (flags) : "memory");
}
繼續(xù)
#define spin_lock_string_flags
 " 1: "
 "lock ; decb %0 "    ；lock總線鎖住，原子操作
 "jns 4f "
 "2: "
 "testl $0x200, %1 "
 "jz 3f "
 "sti "
 "3: "
 "rep;nop "
 "cmpb $0, %0 "
 "jle 3b "
 "cli "
 "jmp 1b "
 "4: "
理解一下大概意思，就可以了。當(dāng)lock-1后大于等于0就可以關(guān)中斷繼續(xù)執(zhí)行了，否則nop空操作。Nop期間，cpu可以執(zhí)行其他任務(wù)的代碼。

解鎖
#define spin_unlock_irqrestore(lock, flags) _spin_unlock_irqrestore(lock, flags)
void __lockfunc _spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags)
{
 _raw_spin_unlock(lock);
 local_irq_restore(flags);
 preempt_enable();
}

static inline void _raw_spin_unlock(spinlock_t *lock)
{
#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK
 BUG_ON(lock->magic != SPINLOCK_MAGIC);
 BUG_ON(!spin_is_locked(lock));
#endif
 __asm__ __volatile__(
  spin_unlock_string
 );
}
Raw赤裸的解鎖，表示最低沉的解鎖原理。
#define spin_unlock_string
 "xchgb %b0, %1"
  :"=q" (oldval), "=m" (lock->slock)
  :"0" (oldval) : "memory"
加1.解鎖