天下

Linux內(nèi)核的同步機(jī)制(1)、自旋鎖（spinlock）

　　自旋鎖與互斥鎖有點(diǎn)類似，只是自旋鎖不會(huì)引起調(diào)用者睡眠，如果自旋鎖已經(jīng)被別的執(zhí)行單元保持，調(diào)用者就一直循環(huán)在那里看是否該自旋鎖的保持者已經(jīng)釋放了鎖，"自旋"一詞就是因此而得名。

　　由于自旋鎖使用者一般保持鎖時(shí)間非常短，因此選擇自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋鎖的效率遠(yuǎn)高于互斥鎖。

　　信號(hào)量和讀寫信號(hào)量適合于保持時(shí)間較長(zhǎng)的情況，它們會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因此只能在進(jìn)程上下文使用（_trylock的變種能夠在中斷上下文使用），而自旋鎖適合于保持時(shí)間非常短的情況，它可以在任何上下文使用。

　　如果被保護(hù)的共享資源只在進(jìn)程上下文訪問(wèn)，使用信號(hào)量保護(hù)該共享資源非常合適，如果對(duì)共巷資源的訪問(wèn)時(shí)間非常短，自旋鎖也可以。但是如果被保護(hù)的共享資源需要在中斷上下文訪問(wèn)（包括底半部即中斷處理句柄和頂半部即軟中斷），就必須使用自旋鎖。

　　自旋鎖保持期間是搶占失效的，而信號(hào)量和讀寫信號(hào)量保持期間是可以被搶占的。自旋鎖只有在內(nèi)核可搶占或SMP的情況下才真正需要，在單CPU且不可搶占的內(nèi)核下，自旋鎖的所有操作都是空操作。

　　跟互斥鎖一樣，一個(gè)執(zhí)行單元要想訪問(wèn)被自旋鎖保護(hù)的共享資源，必須先得到鎖，在訪問(wèn)完共享資源后，必須釋放鎖。如果在獲取自旋鎖時(shí)，沒(méi)有任何執(zhí)行單元保持該鎖，那么將立即得到鎖；如果在獲取自旋鎖時(shí)鎖已經(jīng)有保持者，那么獲取鎖操作將自旋在那里，直到該自旋鎖的保持者釋放了鎖。

　　無(wú)論是互斥鎖，還是自旋鎖，在任何時(shí)刻，最多只能有一個(gè)保持者，也就說(shuō)，在任何時(shí)刻最多只能有一個(gè)執(zhí)行單元獲得鎖。

自旋鎖的API有：

spin_lock_init(x)
該宏用于初始化自旋鎖x。自旋鎖在真正使用前必須先初始化。該宏用于動(dòng)態(tài)初始化。
    
DEFINE_SPINLOCK(x)
該宏聲明一個(gè)自旋鎖x并初始化它。該宏在2.6.11中第一次被定義，在先前的內(nèi)核中并沒(méi)有該宏。
    
SPIN_LOCK_UNLOCKED
該宏用于靜態(tài)初始化一個(gè)自旋鎖。

DEFINE_SPINLOCK(x)等同于spinlock_t x = SPIN_LOCK_UNLOCKED
    
spin_is_locked(x)
該宏用于判斷自旋鎖x是否已經(jīng)被某執(zhí)行單元保持（即被鎖），如果是，返回真，否則返回假。
    
spin_unlock_wait(x)
該宏用于等待自旋鎖x變得沒(méi)有被任何執(zhí)行單元保持，如果沒(méi)有任何執(zhí)行單元保持該自旋鎖，該宏立即返回，否則將循環(huán)在那里，直到該自旋鎖被保持者釋放。
    
spin_trylock(lock)
該宏盡力獲得自旋鎖lock，如果能立即獲得鎖，它獲得鎖并返回真，否則不能立即獲得鎖，立即返回假。它不會(huì)自旋等待lock被釋放。
    
spin_lock(lock)
該宏用于獲得自旋鎖lock，如果能夠立即獲得鎖，它就馬上返回，否則，它將自旋在那里，直到該自旋鎖的保持者釋放，這時(shí)，它獲得鎖并返回。總之，只有它獲得鎖才返回。
    
spin_lock_irqsave(lock, flags)
該宏獲得自旋鎖的同時(shí)把標(biāo)志寄存器的值保存到變量flags中并失效本地中斷。
    
spin_lock_irq(lock)
該宏類似于spin_lock_irqsave，只是該宏不保存標(biāo)志寄存器的值。
    
spin_lock_bh(lock)
該宏在得到自旋鎖的同時(shí)失效本地軟中斷。
    
spin_unlock(lock)
該宏釋放自旋鎖lock，它與spin_trylock或spin_lock配對(duì)使用。如果spin_trylock返回假，表明沒(méi)有獲得自旋鎖，因此不必使用spin_unlock釋放。
    
spin_unlock_irqrestore(lock, flags)
該宏釋放自旋鎖lock的同時(shí)，也恢復(fù)標(biāo)志寄存器的值為變量flags保存的值。它與spin_lock_irqsave配對(duì)使用。
    
spin_unlock_irq(lock)
該宏釋放自旋鎖lock的同時(shí)，也使能本地中斷。它與spin_lock_irq配對(duì)應(yīng)用。
    
spin_unlock_bh(lock)
該宏釋放自旋鎖lock的同時(shí)，也使能本地的軟中斷。它與spin_lock_bh配對(duì)使用。
    
spin_trylock_irqsave(lock, flags)
該宏如果獲得自旋鎖lock，它也將保存標(biāo)志寄存器的值到變量flags中，并且失效本地中斷，如果沒(méi)有獲得鎖，它什么也不做。
　　因此如果能夠立即獲得鎖，它等同于spin_lock_irqsave，如果不能獲得鎖，它等同于spin_trylock。如果該宏獲得自旋鎖lock，那需要使用spin_unlock_irqrestore來(lái)釋放。

spin_trylock_irq(lock)
該宏類似于spin_trylock_irqsave，只是該宏不保存標(biāo)志寄存器。如果該宏獲得自旋鎖lock，需要使用spin_unlock_irq來(lái)釋放。
    
spin_trylock_bh(lock)
該宏如果獲得了自旋鎖，它也將失效本地軟中斷。如果得不到鎖，它什么也不做。因此，如果得到了鎖，它等同于spin_lock_bh，如果得不到鎖，它等同于spin_trylock。如果該宏得到了自旋鎖，需要使用spin_unlock_bh來(lái)釋放。

spin_can_lock(lock)
該宏用于判斷自旋鎖lock是否能夠被鎖，它實(shí)際是spin_is_locked取反。如果lock沒(méi)有被鎖，它返回真，否則，返回假。該宏在2.6.11中第一次被定義，在先前的內(nèi)核中并沒(méi)有該宏。 

　　獲得自旋鎖和釋放自旋鎖有好幾個(gè)版本，因此讓讀者知道在什么樣的情況下使用什么版本的獲得和釋放鎖的宏是非常必要的。 

　　如果被保護(hù)的共享資源只在進(jìn)程上下文訪問(wèn)和軟中斷上下文訪問(wèn)，那么當(dāng)在進(jìn)程上下文訪問(wèn)共享資源時(shí)，可能被軟中斷打斷，從而可能進(jìn)入軟中斷上下文來(lái)對(duì)被保護(hù)的共享資源訪問(wèn)，因此對(duì)于這種情況，對(duì)共享資源的訪問(wèn)必須使用spin_lock_bh和spin_unlock_bh來(lái)保護(hù)。 

　　當(dāng)然使用spin_lock_irq和spin_unlock_irq以及spin_lock_irqsave和spin_unlock_irqrestore也可以，它們失效了本地硬中斷，失效硬中斷隱式地也失效了軟中斷。但是使用spin_lock_bh和spin_unlock_bh是最恰當(dāng)?shù)模绕渌麅蓚€(gè)快。 

　　如果被保護(hù)的共享資源只在進(jìn)程上下文和tasklet或timer上下文訪問(wèn)，那么應(yīng)該使用與上面情況相同的獲得和釋放鎖的宏，因?yàn)閠asklet和timer是用軟中斷實(shí)現(xiàn)的。 

　　如果被保護(hù)的共享資源只在一個(gè)tasklet或timer上下文訪問(wèn)，那么不需要任何自旋鎖保護(hù)，因?yàn)橥粋€(gè)tasklet或timer只能在一個(gè)CPU上運(yùn)行，即使是在SMP環(huán)境下也是如此。實(shí)際上tasklet在調(diào)用tasklet_schedule標(biāo)記其需要被調(diào)度時(shí)已經(jīng)把該tasklet綁定到當(dāng)前CPU，因此同一個(gè)tasklet決不可能同時(shí)在其他CPU上運(yùn)行。 

　　timer也是在其被使用add_timer添加到timer隊(duì)列中時(shí)已經(jīng)被幫定到當(dāng)前CPU，所以同一個(gè)timer絕不可能運(yùn)行在其他CPU上。當(dāng)然同一個(gè)tasklet有兩個(gè)實(shí)例同時(shí)運(yùn)行在同一個(gè)CPU就更不可能了。 

　　如果被保護(hù)的共享資源只在兩個(gè)或多個(gè)tasklet或timer上下文訪問(wèn)，那么對(duì)共享資源的訪問(wèn)僅需要用spin_lock和spin_unlock來(lái)保護(hù)，不必使用_bh版本，因?yàn)楫?dāng)tasklet或timer運(yùn)行時(shí)，不可能有其他tasklet或timer在當(dāng)前CPU上運(yùn)行。 

　　如果被保護(hù)的共享資源只在一個(gè)軟中斷（tasklet和timer除外）上下文訪問(wèn)，那么這個(gè)共享資源需要用spin_lock和spin_unlock來(lái)保護(hù)，因?yàn)橥瑯拥能浿袛嗫梢酝瑫r(shí)在不同的CPU上運(yùn)行。 

　　如果被保護(hù)的共享資源在兩個(gè)或多個(gè)軟中斷上下文訪問(wèn)，那么這個(gè)共享資源當(dāng)然更需要用spin_lock和spin_unlock來(lái)保護(hù)，不同的軟中斷能夠同時(shí)在不同的CPU上運(yùn)行。 

　　如果被保護(hù)的共享資源在軟中斷（包括tasklet和timer）或進(jìn)程上下文和硬中斷上下文訪問(wèn)，那么在軟中斷或進(jìn)程上下文訪問(wèn)期間，可能被硬中斷打斷，從而進(jìn)入硬中斷上下文對(duì)共享資源進(jìn)行訪問(wèn)，因此，在進(jìn)程或軟中斷上下文需要使用spin_lock_irq和spin_unlock_irq來(lái)保護(hù)對(duì)共享資源的訪問(wèn)。 

　　而在中斷處理句柄中使用什么版本，需依情況而定，如果只有一個(gè)中斷處理句柄訪問(wèn)該共享資源，那么在中斷處理句柄中僅需要spin_lock和spin_unlock來(lái)保護(hù)對(duì)共享資源的訪問(wèn)就可以了。 

　　因?yàn)樵趫?zhí)行中斷處理句柄期間，不可能被同一CPU上的軟中斷或進(jìn)程打斷。但是如果有不同的中斷處理句柄訪問(wèn)該共享資源，那么需要在中斷處理句柄中使用spin_lock_irq和spin_unlock_irq來(lái)保護(hù)對(duì)共享資源的訪問(wèn)。 

　　在使用spin_lock_irq和spin_unlock_irq的情況下，完全可以用spin_lock_irqsave和spin_unlock_irqrestore取代，那具體應(yīng)該使用哪一個(gè)也需要依情況而定，如果可以確信在對(duì)共享資源訪問(wèn)前中斷是使能的，那么使用spin_lock_irq更好一些。 

　　因?yàn)樗萻pin_lock_irqsave要快一些，但是如果你不能確定是否中斷使能，那么使用spin_lock_irqsave和spin_unlock_irqrestore更好，因?yàn)樗鼘⒒謴?fù)訪問(wèn)共享資源前的中斷標(biāo)志而不是直接使能中斷。 

　　當(dāng)然，有些情況下需要在訪問(wèn)共享資源時(shí)必須中斷失效，而訪問(wèn)完后必須中斷使能，這樣的情形使用spin_lock_irq和spin_unlock_irq最好。 

　　需要特別提醒讀者，spin_lock用于阻止在不同CPU上的執(zhí)行單元對(duì)共享資源的同時(shí)訪問(wèn)以及不同進(jìn)程上下文互相搶占導(dǎo)致的對(duì)共享資源的非同步訪問(wèn)，而中斷失效和軟中斷失效卻是為了阻止在同一CPU上軟中斷或中斷對(duì)共享資源的非同步訪問(wèn)。    
　　

#include <linux/spinlock.h>

頭文件:
#include<linux/spinlock_types.h>

#ifndef __LINUX_SPINLOCK_TYPES_H
#define __LINUX_SPINLOCK_TYPES_H

/*
 * include/linux/spinlock_types.h - generic spinlock type definitions
 *                                  and initializers
 *
 * portions Copyright 2005, Red Hat, Inc., Ingo Molnar
 * Released under the General Public License (GPL).
 */

//對(duì)稱多處理器
#if defined(CONFIG_SMP)
    #include <asm/spinlock_types.h>
#else
    #include <linux/spinlock_types_up.h>
#endif

#include <linux/lockdep.h>

typedef struct {
    raw_spinlock_t raw_lock;
#ifdef CONFIG_GENERIC_LOCKBREAK
    unsigned int break_lock;
#endif
} spinlock_t;

#define SPINLOCK_MAGIC        0xdead4ead

typedef struct {
    raw_rwlock_t raw_lock;
#ifdef CONFIG_GENERIC_LOCKBREAK
    unsigned int break_lock;
#endif
} rwlock_t;

#define RWLOCK_MAGIC        0xdeaf1eed

#define SPINLOCK_OWNER_INIT    ((void *)-1L)

# define __SPIN_LOCK_UNLOCKED(lockname) \
    (spinlock_t)    {    .raw_lock = __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED,    \
                SPIN_DEP_MAP_INIT(lockname) }
#define __RW_LOCK_UNLOCKED(lockname) \
    (rwlock_t)    {    .raw_lock = __RAW_RW_LOCK_UNLOCKED,    \
                RW_DEP_MAP_INIT(lockname) }

/*
 * SPIN_LOCK_UNLOCKED and RW_LOCK_UNLOCKED defeat lockdep state tracking and
 * are hence deprecated.
 * Please use DEFINE_SPINLOCK()/DEFINE_RWLOCK() or
 * __SPIN_LOCK_UNLOCKED()/__RW_LOCK_UNLOCKED() as appropriate.
 */
#define SPIN_LOCK_UNLOCKED    __SPIN_LOCK_UNLOCKED(old_style_spin_init)
#define RW_LOCK_UNLOCKED    __RW_LOCK_UNLOCKED(old_style_rw_init)

#define DEFINE_SPINLOCK(x)    spinlock_t x = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(x)
#define DEFINE_RWLOCK(x)    rwlock_t x = __RW_LOCK_UNLOCKED(x)

#endif /* __LINUX_SPINLOCK_TYPES_H */