Spinlocks in Linux

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Spinlock的目的是用来同步SMP中会被多个CPU同时存取的变量。在Linux中，普通的spinlock由于不带额外的语义，是用起来反而要非常小心。

在Linux kernel中执行的代码大体分normal和interruptcontext两种。tasklet/softirq可以归为normal因为他们可以进入等待；nestedinterrupt是interrupt context的一种特殊情况，当然也是interruptcontext。Normal级别可以被interrupt抢断，interrupt会被另一个interrupt抢断，但不会被normal中断。各个interrupt之间没有优先级关系，只要有可能，每个interrupt都会被其他interrupt中断。

我们先考虑单CPU的情况。在这样情况下，不管在什么执行级别，我们只要简单地把CPU的中断关掉就可以达到独占处理的目的。从这个角度来说，spinlock的实现简单地令人乍舌：cli/sti。只要这样，我们就关闭了preemption带来的复杂之门。

单CPU的情况很简单，多CPU就不那么简单了。单纯地关掉当前CPU的中断并不会给我们带来好运。当我们的代码存取一个sharedvariable时，另一颗CPU随时会把数据改得面目全非。我们需要有手段通知它(或它们，你知道我的意思)——spinlock正为此设。这个例子是我们的第一次尝试：


extern spinlock_t lock;
// ...
spin_lock(&lock);
// do something
spin_unlock(&lock);


他能正常工作吗？答案是有可能。在某些情况下，这段代码可以正常工作，但想一想会不会发生这样的事：

// in normal run level
extern spinlock_t lock;
// ...
spin_lock(&lock);
// do something
// interrupted by IRQ ...

// in IRQ
extern spinlock_t lock;
spin_lock(&lock);


喔，我们在normal级别下获得了一个spinlock，正当我们想做什么的时候，我们被interrupt打断了，CPU转而执行interrupt level的代码，它也想获得这个lock，于是“死锁”发生了！解决方法很简单，看看我们第二次尝试：


extern spinlock_t lock;
// ...
cli; // disable interrupt on current CPU
spin_lock(&lock);
// do something
spin_unlock(&lock);
sti; // enable interrupt on current CPU


在获得spinlock之前，我们先把当前CPU的中断禁止掉，然后获得一个lock;在释放lock之后再把中断打开。这样，我们就防止了死锁。事实上，Linux提供了一个更为快捷的方式来实现这个功能:


extern spinlock_t lock;
// ...
spin_lock_irq(&lock);
// do something
spin_unlock_irq(&lock);


如果没有nested interrupt，所有这一切都很好。加上nested interrupt，我们再来看看这个例子:


// code 1
extern spinlock_t lock;
// ...
spin_lock_irq(&lock);
// do something
spin_unlock_irq(&lock);
 

// code 2
extern spinlock_t lock;
// ...
spin_lock_irq(&lock);
// do something
spin_unlock_irq(&lock);


Code 1和code 2都运行在interrupt context下，由于中断可以嵌套执行，我们很容易就可以想到这样的运行次序：

 

Code 1	Code 2
extern spinlock_t lock; // ... spin_lock_irq(&lock);
	extern spinlock_t lock; // ... spin_lock_irq(&lock); // do something
	spin_unlock_irq(&lock);
// do something spin_unlock_irq(&lock);

问题是在第一个spin_unlock_irq后这个CPU的中断已经被打开，“死锁”的问题又会回到我们身边！

解决方法是我们在每次关闭中断前纪录当前中断的状态，然后恢复它而不是直接把中断打开。

unsigned long flags;
local_irq_save(flags);
spin_lock(&lock);
// do something
spin_unlock(&lock);
local_irq_restore(flags);


Linux同样提供了更为简便的方式:

unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&lock, flags);
// do something
spin_unlock_irqrestore(&lock, flags);