分析Linux中Spinlock在ARM及X86平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)

作者：劉洪濤,華清遠(yuǎn)見(jiàn)嵌入式學(xué)院講師。

本文主要以2.6.22.6內(nèi)核分析Linux中spinlock在ARM及X86平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)（不同版本的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)形式會(huì)有一些差異，但原理大致相同）。此處默認(rèn)大家已經(jīng)熟悉了spinlock的使用，重點(diǎn)解釋容易引起迷惑的體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的實(shí)現(xiàn)部分。

一、spin_lock(lock)的實(shí)現(xiàn)

/***include/linux/spinlock.h中***/

#if defined(CONFIG_SMP) || defined(CONFIG_DEBUG_SPINLOCK)

//如果配置了SMP或配置自旋鎖調(diào)試功能

# include <linux/spinlock_api_smp.h>

#else //如果是單處理器且不配置自旋鎖調(diào)試功能

# include <linux/spinlock_api_up.h>

#endif

……

#define spin_lock(lock) _spin_lock(lock)

1、如果是單處理器

/****include/linux/spinlock_api_up.h****/

#define _spin_lock(lock) __LOCK(lock)

#define __LOCK(lock) \

do { preempt_disable(); __acquire(lock); (void)(lock); } while (0)

（1）preempt_disable()：禁止搶占

（2）__acquire(lock)：在include/linux/compiler.h中有定義

#ifdef __CHECKER__

……

# define __acquire(x) __context__(x,1)

# define __release(x) __context__(x,-1)

#else

……

# define __acquires(x)

# define __releases(x)

這是一對(duì)用于sparse對(duì)代碼檢測(cè)的相互關(guān)聯(lián)的函數(shù)定義，第一句表示要增加變量x的計(jì)數(shù)，增加量為1，第二句則正好相反，這個(gè)是用來(lái)函數(shù)編譯的過(guò)程中。如果在代碼中出現(xiàn)了不平衡的狀況，那么在Sparse的檢測(cè)中就會(huì)報(bào)警。如果要使用Sparse檢測(cè)功能就需要安裝sparse工具（參考相關(guān)安裝方法），然后編譯內(nèi)核

#make zImage C=1 (C=1，只檢測(cè)新編譯的文件，C=2是查所有文件)

Sparse會(huì)定義__CHECKER__，如果你沒(méi)有使用sparse工具，__acquire(lock)則定義為空

（3）(void)(lock)：通過(guò)插入一個(gè)變量本身的求值表達(dá)式，使編譯器不再報(bào)警，如：“variable "lock" is defined but never used”。這種求值不會(huì)影響運(yùn)行時(shí)的速度。

2、如果配置了SMP

/****include/linux/spinlock_api_smp.h中****/

void __lockfunc _spin_lock(spinlock_t *lock) __acquires(lock);

/***kernel/spinlock.c***/

void __lockfunc _spin_lock(spinlock_t *lock)

{

preempt_disable();

//關(guān)閉搶占

spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_);

//自旋鎖調(diào)試用，在沒(méi)有定義自旋鎖調(diào)試的時(shí)候是空函數(shù)

_raw_spin_lock(lock);

}

/***include/linux/spinlock.h***/

#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK

extern void _raw_spin_lock(spinlock_t *lock);//在lib/spinlock_debug.c中實(shí)現(xiàn)

#else //smp情況

# define _raw_spin_lock(lock) __raw_spin_lock(&(lock)->raw_lock)

3、__raw_spin_lock在ARM處理器上的實(shí)現(xiàn)

/******include/asm-arm/spinlock_types.h***/

typedef struct {

volatile unsigned int lock;

} raw_spinlock_t;

#define __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED { 0 }

/******include/asm-arm/spinlock.h***/

#if __LINUX_ARM_ARCH__ < 6

#error SMP not supported on pre-ARMv6 CPUs //ARMv6后，才有多核ARM處理器

#endif

……

static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)

{

unsigned long tmp;

__asm__ __volatile__(

"1: ldrex %0, [%1]\n"

//取lock->lock放在 tmp里，并且設(shè)置&lock->lock這個(gè)內(nèi)存地址為獨(dú)占訪問(wèn)

" teq %0, #0\n"

//測(cè)試lock_lock是否為0，影響標(biāo)志位z

#ifdef CONFIG_CPU_32v6K

" wfene\n"

#endif

" strexeq %0, %2, [%1]\n"

//如果lock_lock是0，并且是獨(dú)占訪問(wèn)這個(gè)內(nèi)存，就向lock->lock里寫入1，并向tmp返回0，同時(shí)清除獨(dú)占標(biāo)記

" teqeq %0, #0\n"

//如果lock_lock是0，并且strexeq返回了0，表示加鎖成功，返回

" bne 1b"

//如果上面的條件(1：lock->lock里不為0，2：strexeq失敗)有一個(gè)符合，就在原地打轉(zhuǎn)

: "=&r" (tmp) //%0：輸出放在tmp里，可以是任意寄存器

: "r" (&lock->lock), "r" (1)

//%1：取&lock->lock放在任意寄存器，%2：任意寄存器放入1

: "cc"); //狀態(tài)寄存器可能會(huì)改變

smp_mb();

}

上述代碼關(guān)鍵在于LDREX和STREX指令的應(yīng)用。DREX和STREX指令是在V6以后才出現(xiàn)的，代替了V6以前的swp指令?？梢宰宐us監(jiān)控LDREX和STREX指令之間有無(wú)其它CPU和DMA來(lái)存取過(guò)這個(gè)地址，若有的話STREX指令的第一個(gè)寄存器里設(shè)置為1（動(dòng)作失?。?，若沒(méi)有，指令的第一個(gè)寄存器里設(shè)置為0（動(dòng)作成功）。

不僅是自旋鎖用到LDREX和STREX指令，信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)也是利用LDREX和STREX指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

4、__raw_spin_lock在X86處理器上的實(shí)現(xiàn)

/******include/asm-i386/spinlock_types.h***/

typedef struct {

unsigned int slock;

} raw_spinlock_t;

#define __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED { 1 }

/******include/asm-i386/spinlock.h***/

static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)

{

asm volatile("\n1:\t"

LOCK_PREFIX " ; decb %0\n\t"

// lock->slock減1

"jns 3f\n"

//如果不為負(fù).跳轉(zhuǎn)到3f.3f后面沒(méi)有任何指令，即為退出

"2:\t"

"rep;nop\n\t"

//重復(fù)執(zhí)行nop.nop是x86的小延遲函數(shù)

"cmpb $0,%0\n\t"

"jle 2b\n\t"

//如果lock->slock不大于0，跳轉(zhuǎn)到標(biāo)號(hào)2，即繼續(xù)重復(fù)執(zhí)行nop

"jmp 1b\n"

//如果lock->slock大于0，跳轉(zhuǎn)到標(biāo)號(hào)1，重新判斷鎖的slock成員

"3:\n\t"

: "+m" (lock->slock) : : "memory");

}

在多處理器環(huán)境中 LOCK_PREFIX 實(shí)際被定義為 “l(fā)ock”前綴。x86 處理器使用“l(fā)ock”前綴的方式提供了在指令執(zhí)行期間對(duì)總線加鎖的手段。芯片上有一條引線 LOCK，如果在一條匯編指令(ADD, ADC, AND, BTC, BTR, BTS, CMPXCHG, CMPXCH8B, DEC, INC, NEG, NOT, OR, SBB, SUB, XOR, XADD, XCHG)前加上“l(fā)ock” 前綴，經(jīng)過(guò)匯編后的機(jī)器代碼就使得處理器執(zhí)行該指令時(shí)把引線 LOCK 的電位拉低，從而把總線鎖住，這樣其它處理器或使用DMA的外設(shè)暫時(shí)無(wú)法通過(guò)同一總線訪問(wèn)內(nèi)存。

jns 匯編指令檢查 EFLAGS 寄存器的 SF(符號(hào))位，如果為 0，說(shuō)明 slock 原來(lái)的值為 1，則線程獲得鎖，然后跳到標(biāo)簽 3 的位置結(jié)束本次函數(shù)調(diào)用。如果 SF 位為 1，說(shuō)明 slock 原來(lái)的值為 0 或負(fù)數(shù)，鎖已被占用。那么線程轉(zhuǎn)到標(biāo)簽 2 處不斷測(cè)試 slock 與 0 的大小關(guān)系，假如 slock 小于或等于 0，跳轉(zhuǎn)到標(biāo)簽 2 的位置繼續(xù)忙等待；假如 slock 大于 0，說(shuō)明鎖已被釋放，則跳轉(zhuǎn)到標(biāo)簽 1 的位置重新申請(qǐng)鎖。

二、spin_unlock(lock)的實(shí)現(xiàn)

/***include/linux/spinlock.h***/

#if defined(CONFIG_DEBUG_SPINLOCK) || defined(CONFIG_PREEMPT) || \

!defined(CONFIG_SMP)

# define spin_unlock(lock) _spin_unlock(lock)

……

#else

# define spin_unlock(lock) \

do {__raw_spin_unlock(&(lock)->raw_lock); __release(lock); } while (0)

1、 如果是單處理器

/****include/linux/spinlock_api_up.h****/

#define _spin_unlock(lock) __UNLOCK(lock)

#define __UNLOCK(lock) \

do { preempt_enable(); __release(lock); (void)(lock); } while (0)

完成前文的獲取鎖的逆過(guò)程

2、如果配置了SMP

# define spin_unlock(lock) \

do {__raw_spin_unlock(&(lock)->raw_lock); __release(lock); } while (0)

3、__raw_spin_unlock在ARM處理器上的實(shí)現(xiàn)

/******include/asm-arm/spinlock.h***/

static inline void __raw_spin_unlock(raw_spinlock_t *lock)

{

smp_mb();

__asm__ __volatile__(

" str %1, [%0]\n" // 向lock->lock里寫0，解鎖

#ifdef CONFIG_CPU_32v6K

" mcr p15, 0, %1, c7, c10, 4\n" /* DSB */

" sev"

#endif

:

: "r" (&lock->lock), "r" (0) //%0取&lock->lock放在任意寄存器，%1：任意寄存器放入0

: "cc");

}

__raw_spin_unlock只是簡(jiǎn)單的給lock->lock里寫0。

4、__raw_spin_unlock在X86處理器上的實(shí)現(xiàn)

/***include/asm-i386/spinlock.h***/

static inline void __raw_spin_unlock(raw_spinlock_t *lock)

{

asm volatile("movb $1,%0" : "+m" (lock->slock) :: "memory");

}

__raw_spin_unlock 函數(shù)僅僅執(zhí)行一條匯編指令：將lock-> slock 置為 1。

“本文由華清遠(yuǎn)見(jiàn)http://www.embedu.org/index.htm提供”