自旋锁

Linux的的内核最常见的锁是自旋锁。自旋锁最多只能被一个可执行线程持有。如果一个执行线程试图获得一个被已经持有（争用）的自旋锁，那么该线程就会一直进行忙循环-旋转-等待锁重新可用要是锁未被争用，请求锁的执行线程就可以立即得到它，继续执行。

在任意时间，自旋锁都可以防止多于一个的执行线程同时进入临界区。

同一个锁可以用在多个位置，例如，对于给定数据的所有访问都可以得到保护和同步。

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在Linux的2.6.11.12内核版本中，自旋锁的实现接口定义在包含\ linux的\ <spinlock.h>中，与体系结构相关的代码定义包含在\ ASM \ <spinlock.h>中。

基本结构

自旋锁的结构体是spinlock_t，

typedef struct {/*** 该字段表示自旋锁的状态，值为1表示未加锁，任何负数和0都表示加锁*/volatile unsigned int slock;
#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCKunsigned magic;
#endif
#ifdef CONFIG_PREEMPT/*** 表示进程正在忙等待自旋锁。* 只有内核支持SMP和内核抢占时才使用本标志。*/unsigned int break_lock;
#endif
} spinlock_t;

spin_lock（）

/*** 当内核不可抢占时，spin_lock的实现过程。*/
#define _spin_lock(lock)    \
do { \/*** 调用preempt_disable禁用抢占。*/preempt_disable(); \/*** _raw_spin_lock对自旋锁的slock字段执行原子性的测试和设置操作。*/_raw_spin_lock(lock); \__acquire(lock); \
} while(0)

函数_raw_spin_lock（）对自旋锁的SLOCK字段执行原子性的测试和设置操作。

#define _raw_spin_lock(x)        \do { \CHECK_LOCK(x); \if ((x)->lock&&(x)->babble) { \(x)->babble--; \printk("%s:%d: spin_lock(%s:%p) already locked by %s/%d\n", \__FILE__,__LINE__, (x)->module, \(x), (x)->owner, (x)->oline); \} \(x)->lock = 1; \(x)->owner = __FILE__; \(x)->oline = __LINE__; \} while (0)

spin_unlock（）

#define _spin_unlock(lock) \
do { \_raw_spin_unlock(lock); \preempt_enable(); \__release(lock); \
} while (0)

static inline void _raw_spin_unlock(spinlock_t *lock)
{
#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCKBUG_ON(lock->magic != SPINLOCK_MAGIC);BUG_ON(!spin_is_locked(lock));
#endif__asm__ __volatile__(spin_unlock_string);
}

宏函数spin_unlock_string

在spin_unlock_string中，％0即为锁 - > s 锁，movb指令将锁 - > s 锁定为1，movb指令本身就是原子操作，所以不需要锁总线。

#define spin_unlock_string \"movb $1,%0" \:"=m" (lock->slock) : : "memory"

自旋锁在同一时刻至多被一个执行线程持有，所以一个时刻只有一个线程位于临界区内，这就为多处理器机器提供了防止并发访问所需的保护机制。

在单处理机器上，编译的时候不会加入自旋锁，仅会被当作一个设置内核抢占机制是否被启用的开关。如果禁止内核抢占，那么在编译时自旋锁就会被剔除出内核。

内核提供的禁止中断同时请求锁的接口

（1）_spin_lock_irqsave（）

保存中断的当前状态，并禁止本地中断，然后再去获取指定的锁。

unsigned long __lockfunc _spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock)
{unsigned long flags;local_irq_save(flags);preempt_disable();_raw_spin_lock_flags(lock, flags);return flags;
}

（2）_spin_unlock_irqrestore（）

对指定的锁解锁，然后让中断恢复到加锁前的状态

void __lockfunc _write_unlock_irqrestore(rwlock_t *lock, unsigned long flags)
{_raw_write_unlock(lock);local_irq_restore(flags);preempt_enable();
}

如果能确定中断在加锁前是激活的，那就不需要在解锁后恢复中断以前的状态。也就可以无条件地在解锁时激活中断。这时可以使用spin_lock_irq（）和spin_unlock_irq（）。

_spin_lock_irq（）

禁止本地中断并获取指定的锁。

void __lockfunc _read_lock_irq(rwlock_t *lock)
{local_irq_disable();preempt_disable();_raw_read_lock(lock);
}

_spin_unlock_irq（）

释放指定的锁，并激活本地中断。

void __lockfunc _spin_unlock_irq(spinlock_t *lock)
{_raw_spin_unlock(lock);local_irq_enable();preempt_enable();
}

在使用spin_lock_irq（）方法时，需要确定中断原来是否处于激活状态。一般不建议使用。

spin_lock_init（）

动态初始化指定的spinlock_t，（此时只有一个指向spinlock_t类型地指针，没有它的实体）

#define spin_lock_init(lock) do { (void)(lock); } while(0)

spin_try_lock（）

试图获的某个特定的自旋锁。如果该锁已经被争用，那么该函数立即返回一个非0值，而不会自旋等待锁被释放;

如果成功地获得了这个自旋锁，该函数返回0。

int __lockfunc _spin_trylock(spinlock_t *lock)
{preempt_disable(); //使抢占计数加1if (_raw_spin_trylock(lock))return 1;preempt_enable(); // 使抢占计数减1，并在thread_info描述符的TIF_NEED_RESCHED标志被置为1的情况下，调用preempt_schedule()return 0;
}

spin_is_locked（）

用于检查特定的锁当前是否已被占用，如果已被占用，返回非0值;否则返回0。

#define spin_is_locked(x) \({ \CHECK_LOCK(x); \if ((x)->lock&&(x)->babble) { \(x)->babble--; \printk("%s:%d: spin_is_locked(%s:%p) already locked by %s/%d\n", \__FILE__,__LINE__, (x)->module, \(x), (x)->owner, (x)->oline); \} \0; \})

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总结

（1）一个被争用的自旋锁使得请求它的线程在等待锁重新可用时自旋，会特别浪费处理器时间。所以自旋锁不应该被长时间持有。因此，自旋锁应该使用在：短时间内进行轻量级加锁。

（2）还可以采取另外的方式来处理对锁的争用：让请求线程睡眠，直到锁重新可用时再唤醒它这样处理器不必循环等待，可以执行其他任务。

但是让请求线程睡眠的处理也会带来一定开销：会有两次上下文切换，被阻塞的线程要换出和换入所以，自旋持有锁的时间最好小于完成两次上下文e月刊的耗时，也就是让持有自旋锁的时间尽可能短。（在抢占式内核中，的锁持有等价于系统-的调度等待时间），信号量可以在发生争用时，等待的线程能投入睡眠，而不是旋转。

（3）在单处理机器上，自旋锁是无意义的。因为在编译时不会加入自旋锁，仅仅被当作一个设置内核抢占机制是否被启用的开关。如果禁止内核抢占，那么在编译时自旋锁会被完全剔除出内核。

（4）Linux内核中，自旋锁是不可递归的。如果试图得到一个你正在持有的锁，你必须去自旋，等待你自己释放这个锁。但这时你处于自旋忙等待中，所以永远不会释放锁，就会造成死锁现象。

（5）在中断处理程序中，获取锁之前一定要先禁止本地中断（当前处理器的中断），否则，中断程序就会打断正持有锁的内核代码，有可能会试图去争用这个已经被持有的自旋锁。这样就会造成双重请求死锁（中断处理程序会自旋，等待该锁重新可用，但锁的持有者在这个处理程序执行完之前是不可能运行的）

（6）锁真正保护的是数据（共享数据），而不是代码。对于BLK（大内核锁）保护的是代码。

补充：

BLK：大内核锁

BLK是一个全局自旋锁，主要目的是使Linux的最初的SMP过渡到细粒度加锁机制。

特性如下：

·持有BLK的任务可以睡眠的，是安全的。因为当任务无法被调度时，所加锁会自动被丢弃;当任务被调度时，锁会被重新获得。

·BLK是一种递归锁。一个进程可以多次请求一个锁，而不会像自旋锁那样造成死锁现象。

·BLK只可以用在进程上下文中。不同于自旋锁可在中断上下文中加锁。

·BLK锁保护的是代码。

参考：

《 Linux的内核设计与实现》

Linux的内核中的互斥操作（2） - 自旋锁

宏函数spin_lock_string

_spin_lock_irq（）

禁止本地中断并获取指定的锁。

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总结

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基本结构

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spin_unlock（）

宏函数spin_unlock_string

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（1）_spin_lock_irqsave（）

（2）_spin_unlock_irqrestore（）

_spin_lock_irq（）

_spin_unlock_irq（）

spin_lock_init（）

spin_try_lock（）

spin_is_locked（）

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补充：

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_spin_lock_irq（）

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