深入Linux内核之自旋锁spinlock_t机制

osc_l8ylygdq 2021-01-21 10:54:38
docker 面试 c++ linux nginx


深度详解Linux内核网络结构及分布
epoll的具体实现与epoll线程安全,互斥锁,自旋锁,CAS,原子操作。

spinlock用在什么场景?

自旋锁用在临界区代码非常少的情况。

spinlock在使用时有什么注意事项?

  • 临界区代码应该尽可能精简
  • 不允许睡眠(会出现死锁)
  • Need to have interrupts disabled when locked by ordinary threads, if
    shared by an interrupt handler。(会出现死锁)

spinlock是怎么实现的?

看一下源代码:

typedef struct raw_spinlock {

arch_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
} raw_spinlock_t;
typedef struct spinlock {

union {

struct raw_spinlock rlock;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
# define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))
struct {

u8 __padding[LOCK_PADSIZE];
struct lockdep_map dep_map;
};
#endif
};
} spinlock_t;

如果忽略CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC话,spinlock主要包含一个arch_spinlock_t的结构,从名字可以看出,这个结构是跟体系结构有关的。

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加锁流程

加锁的相关源码如下:

#define raw_spin_lock(lock) _raw_spin_lock(lock)
static inline void spin_lock(spinlock_t *lock)
{

raw_spin_lock(&lock->rlock);
}

_raw_spin_lock完成实际的加锁动作。

根据CPU体系结构,spinlock分为SMP版本和UP版本,这里以SMP版本为例来分析。SMP版本中,_raw_spin_lock为声明为:

static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)
{

// 禁止抢占
preempt_disable();
// for debug
spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_);
// real work done here
LOCK_CONTENDED(lock, do_raw_spin_trylock, do_raw_spin_lock);
}

LOCK_CONTENDED是一个通用的加锁流程。do_raw_spin_trylockdo_raw_spin_lock的实现依赖于具体的体系结构,以x86为例,do_raw_spin_trylock最终调用的是:

do_raw_spin_trylock的源代码:

static inline int do_raw_spin_trylock(raw_spinlock_t *lock)
{

// 体系结构相关
return arch_spin_trylock(&(lock)->raw_lock);
}

以x86为例,arch_spin_trylock最终调用__ticket_spin_trylock函数。其源代码如下:

// 定义在arch/x86/include/asm/spinlock_types.h
typedef struct arch_spinlock {

union {

__ticketpair_t head_tail;
struct __raw_tickets {

__ticket_t head, tail; // 注意,x86使用的是小端模式,存在高地址空间的是tail
} tickets;
};
} arch_spinlock_t;
// 定义在arch/x86/include/asm中
static __always_inline int __ticket_spin_trylock(arch_spinlock_t *lock)
{

arch_spinlock_t old, new;
// 获取旧的ticket信息
old.tickets = ACCESS_ONCE(lock->tickets);
// head和tail不一致,说明锁正被占用,加锁不成功
if (old.tickets.head != old.tickets.tail)
return 0;
new.head_tail = old.head_tail + (1 << TICKET_SHIFT); // 将tail + 1
/* cmpxchg is a full barrier, so nothing can move before it */
return cmpxchg(&lock->head_tail, old.head_tail, new.head_tail) == old.head_tail;
}

从上述代码中可知,__ticket_spin_trylock的核心功能,就是判断自旋锁是否被占用,如果没被占用,尝试原子性地更新lock中的head_tail的值,将tail+1,返回是否加锁成功。

不考虑CONFIG_DEBUG_SPINLOCK宏的话, do_raw_spin_lock的源代码如下:

static inline void do_raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock) __acquires(lock)
{

__acquire(lock);
arch_spin_lock(&lock->raw_lock);
}

arch_spin_lock的源代码:

static __always_inline void arch_spin_lock(arch_spinlock_t *lock)
{

__ticket_spin_lock(lock);
}

__ticket_spin_lock的源代码:

static __always_inline void __ticket_spin_lock(arch_spinlock_t *lock)
{

register struct __raw_tickets inc = {
 .tail = 1 };
// 原子性地把ticket中的tail+1,返回的inc是+1之前的原始值
inc = xadd(&lock->tickets, inc);
for (;;) {

// 循环直到head和tail相等
if (inc.head == inc.tail)
break;
cpu_relax();
// 读取新的head值
inc.head = ACCESS_ONCE(lock->tickets.head);
}
barrier(); /* make sure nothing creeps before the lock is taken */
}

ticket分成两个部分,一部分叫tail,相当于一个队列的队尾,一个部分叫head,相当于一个队列的队头。初始化的时候,tailhead都是0,表示无人占用锁。
__ticket_spin_lock就是原子性地把tail+1,并且把+1之前的值记录下来,然后不断地和head进行比较。由于是原子性的操作,所以不同的锁竞争者拿到的tail值是不一样的。如果tail值和head一样了,说明这时候没人占用锁了,下一个拿到锁的就是自己了。

举例来说,假设线程A和线程B竞争同一个自旋锁:

  • 初始化tail=0, head=0,线程A将tail+1,
    并返回tail的旧值0,将0和head值比较,相等,于是这时候线程A就拿到了锁。
  • 线程A这时候也来拿锁,将tail值+1,变成2,返回tail的旧值1,将其和head值0比较,不相等,继续循环。
  • 线程A用完锁了,将head值+1。
  • 线程B读取head值,并将其和tail值比较,发现相等,获得锁。

解锁流程

对于SMP架构来说,spin_unlock最终调用的是__raw_spin_unlock,其源代码如下:

static inline void __raw_spin_unlock(raw_spinlock_t *lock)
{

spin_release(&lock->dep_map, 1, _RET_IP_);
// 主要的解锁工作 
do_raw_spin_unlock(lock);
// 启用抢占
preempt_enable();
}
static inline void do_raw_spin_unlock(raw_spinlock_t *lock) __releases(lock)
{

arch_spin_unlock(&lock->raw_lock);
__release(lock);
}

arch_spin_unlock在x86体系结构下的实现代码如下:

static __always_inline void arch_spin_unlock(arch_spinlock_t *lock)
{

__ticket_spin_unlock(lock);
}
static __always_inline void __ticket_spin_unlock(arch_spinlock_t *lock)
{

// 将tickers的head值加1
__add(&lock->tickets.head, 1, UNLOCK_LOCK_PREFIX);
}

考虑中断处理函数

如果自旋锁可能在中断处理处理中使用,那么在获取自旋锁之前,必须禁止本地中断。则,持有锁的内核代码会被中断处理程序打断,接着试图去争用这个已经被持有的自旋锁。这样的结果是,中断处理函数自旋,等待该锁重新可用,但是锁的持有者在该中断处理程序执行完毕之前不可能运行,这就成为了双重请求死锁。注意,需要关闭的只是当前处理器上的中断。因为中断发生在不同的处理器上,即使中断处理程序在同一锁上自旋,也不会妨碍锁的持有者(在不同处理器上)最终释放。

所以要使用spin_lock_irqsave() / spin_unlock_irqrestore()这个版本的加锁、解锁函数。
函数spin_lock_irqsave():保存中断的当前状态,禁止本地中断,然后获取指定的锁。
函数spin_unlock_reqrestore():对指定的锁解锁,让中断恢复到加锁前的状态。所以即使中断最初是被禁止的,代码也不会错误地激活它们。

spinlock的几种变种

rwlock_t 读写锁
seqlock_t 顺序锁

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