鸿蒙内核源码分析(自旋锁篇) | 汇编到令人心碎的自旋锁 | 中文注解HarmonyOS源码 | v26.02
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本篇说清楚自旋锁
读本篇之前建议先读鸿蒙内核源码分析(总目录)进程/线程篇.
内核中哪些地方会用到自旋锁?看图:
概述
自旋锁顾名思义,是一把自动旋转的锁,这很像厕所里的锁,进入前标记是绿色可用的,进入格子间后,手一带,里面的锁转个圈,外面标记变成了红色表示在使用,外面的只能等待.这是形象的比喻,但实际也是如此.
在多CPU核环境中，由于使用相同的内存空间，存在对同一资源进行访问的情况，所以需要互斥访问机制来保证同一时刻只有一个核进行操作,自旋锁就是这样的一种机制。
自旋锁是指当一个线程在获取锁时，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，并不断判断是否能够成功获取锁，直到获取到锁才会退出循环。因此建议保护耗时较短的操作，防止对系统整体性能有显的影响。
自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对共享资源的互斥使用问题。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个持有者。但是两者在调度机制上略有不同，对于互斥锁，如果锁已经被占用，锁申请者会被阻塞；但是自旋锁不会引起调用者阻塞，会一直循环检测自旋锁是否已经被释放。
虽然都是共享资源竞争,但自旋锁强调的是CPU核间的竞争,而互斥量强调的是任务(包括同一CPU核)之间的竞争.
自旋锁长什么样?
typedef struct Spinlock {
//自旋锁结构体
size_t rawLock;//原始锁
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP_LOCKDEP == YES) // 死锁检测模块开关
UINT32 cpuid; //持有锁的CPU
VOID *owner; //持有锁任务
const CHAR *name; //锁名称
#endif
} SPIN_LOCK_S;
结构体很简单,里面有个宏,用于死锁检测,默认情况下是关闭的.所以真正的被使用的变量只有rawLock一个.但C语言代码中找不到变量的变化过程,而是通过一段汇编代码来实现.看完本篇会明白也只能通过汇编代码来实现自旋锁.
自旋锁使用流程
自旋锁用于多CPU核的情况，解决的是CPU之间竞争资源的问题.使用流程很简单,三步走。
创建自旋锁：使用LOS_SpinInit初始化自旋锁，或者使用SPIN_LOCK_INIT初始化静态内存的自旋锁。
申请自旋锁：使用接口LOS_SpinLock LOS_SpinTrylock LOS_SpinLockSave申请指定的自旋锁，申请成功就继续往后执行锁保护的代码；申请失败在自旋锁申请中忙等，直到申请到自旋锁为止。
释放自旋锁：使用LOS_SpinUnlock LOS_SpinUnlockRestore接口释放自旋锁。锁保护代码执行完毕后，释放对应的自旋锁，以便其他核申请自旋锁。
几个关键函数
自旋锁模块由内联函数实现,见于los_spinlock.h 代码不多,主要是三个函数.
ArchSpinLock(&lock->rawLock);
ArchSpinTrylock(&lock->rawLock)
ArchSpinUnlock(&lock->rawLock);
可以说掌握了它们就掌握了自旋锁,但这三个函数全由汇编实现.见于los_dispatch.S文件
因为系列篇已有两篇讲过汇编代码,所以很容易理解这三段代码.函数的参数由r0记录,即r0保存了lock->rawLock的地址,拿锁/释放锁是让lock->rawLock在0,1切换
下面逐一说明自旋锁的汇编代码.
ArchSpinLock 汇编代码
FUNCTION(ArchSpinLock) @死守,非要拿到锁
mov r1, #1 @r1=1
1: @循环的作用,因SEV是广播事件.不一定lock->rawLock的值已经改变了
ldrex r2, [r0] @r0 = &lock->rawLock, 即 r2 = lock->rawLock
cmp r2, #0 @r2和0比较
wfene @不相等时,说明资源被占用,CPU核进入睡眠状态
strexeq r2, r1, [r0]@此时CPU被重新唤醒,尝试令lock->rawLock=1,成功写入则r2=0
cmpeq r2, #0 @再来比较r2是否等于0,如果相等则获取到了锁
bne 1b @如果不相等,继续进入循环
dmb @用DMB指令来隔离，以保证缓冲中的数据已经落实到RAM中
bx lr @此时是一定拿到锁了,跳回调用ArchSpinLock函数
看懂了这段汇编代码就理解了自旋锁实现的真正机制,为什么一定要用汇编来实现. 因为CPU宁愿睡眠也非拿要到锁不可的, 注意这里可不是让线程睡眠,而是让CPU进入睡眠状态,能让CPU进入睡眠的只能通过汇编实现.C语言根本就写不出让CPU真正睡眠的代码.
ArchSpinTrylock 汇编代码
如果不看下面这段汇编代码,你根本不可能知道 ArchSpinTrylock 和 ArchSpinLock的真正区别是什么.
FUNCTION(ArchSpinTrylock) @尝试拿锁,拿不到就撤
mov r1, #1 @r1=1
mov r2, r0 @r2 = r0
ldrex r0, [r2] @r2 = &lock->rawLock, 即 r0 = lock->rawLock
cmp r0, #0 @r0和0比较
strexeq r0, r1, [r2] @尝试令lock->rawLock=1,成功写入则r0=0,否则 r0 =1
dmb @数据存储隔离，以保证缓冲中的数据已经落实到RAM中
bx lr @跳回调用ArchSpinLock函数
比较两段汇编代码可知,ArchSpinTrylock即没有循环也不会让CPU进入睡眠,直接返回了,而ArchSpinLock会睡了醒, 醒了睡,一直守到丈夫( lock->rawLock = 0的广播事件发生)回来才肯罢休. 笔者代码注释到这里那真是心潮澎湃,心碎了老一地, 真想给 ArchSpinLock 立一个贞节牌坊!
ArchSpinUnlock 汇编代码
FUNCTION(ArchSpinUnlock) @释放锁
mov r1, #0 @r1=0
dmb @数据存储隔离，以保证缓冲中的数据已经落实到RAM中
str r1, [r0] @令lock->rawLock = 0
dsb @数据同步隔离
sev @给各CPU广播事件,唤醒沉睡的CPU们
bx lr @跳回调用ArchSpinLock函数
代码中涉及到几个不常用的汇编指令,一一说明:
汇编指令之 WFI / WFE / SEV
WFI(Wait for interrupt):等待中断到来指令. WFI一般用于cpuidle,WFI 指令是在处理器发生中断或类似异常之前不需要做任何事情。
在鸿蒙源码分析系列篇(总目录)线程篇中已说过,每个CPU都有自己的idle任务,CPU没事干的时候就待在里面,就一个死循环守着WFI指令,有中断来了就触发CPU起床干活. 中断分硬中断和软中断,系统调用就是通过软中断实现的,而设备类的就属于硬中断,都能触发CPU干活. 具体看下CPU空闲的时候在干嘛,代码超级简单:
LITE_OS_SEC_TEXT WEAK VOID OsIdleTask(VOID) //CPU没事干的时候待在这里
{
while (1) {
//只有一个死循环
Wfi();//WFI指令:arm core 立即进入low-power standby state，等待中断，进入休眠模式。
}
}
WFE(Wait for event):等待事件的到来指令WFE 指令是在SEV指令生成事件之前不需要执行任何操作,所以用WFE的地方,后续一定会对应一个SEV的指令去唤醒它.
WFE的一个典型使用场景，是用在自旋锁中,spinlock的功能，是在不同CPU core之间，保护共享资源。使用WFE的流程是：
1.开始之初资源空闲
2.CPU核1 访问资源，持有锁，获得资源
3.CPU核2 访问资源，此时资源不空闲，执行WFE指令，让core进入low-power state(睡眠)
4.CPU核1 释放资源，释放锁，释放资源，同时执行SEV指令，唤醒CPU核2
5.CPU核2 获得资源
另外说一下 以往的自旋锁，在获得不到资源时，让CPU核进入死循环，而通过插入WFE指令，则大大节省功耗.
SEV(send event):发送事件指令,SEV是一条广播指令,它会将事件发送到多处理器系统中的所有处理器,以唤醒沉睡的CPU.
SEV和WFE的实现很像设计模式的观察者模式.
汇编指令之 LDREX / STREX
LDREX用来读取内存中的值，并标记对该段内存的独占访问：
LDREX Rx, [Ry]
上面的指令意味着，读取寄存器Ry指向的4字节内存值，将其保存到Rx寄存器中，同时标记对Ry指向内存区域的独占访问。
如果执行LDREX指令的时候发现已经被标记为独占访问了，并不会对指令的执行产生影响。
而STREX在更新内存数值时，会检查该段内存是否已经被标记为独占访问，并以此来决定是否更新内存中的值：
STREX Rx, Ry, [Rz]
如果执行这条指令的时候发现已经被标记为独占访问了，则将寄存器Ry中的值更新到寄存器Rz指向的内存，并将寄存器Rx设置成0。指令执行成功后，会将独占访问标记位清除。
而如果执行这条指令的时候发现没有设置独占标记，则不会更新内存，且将寄存器Rx的值设置成1。
一旦某条STREX指令执行成功后，以后再对同一段内存尝试使用STREX指令更新的时候，会发现独占标记已经被清空了，就不能再更新了，从而实现独占访问的机制。
编程实例
本实例实现如下流程。
-
任务Example_TaskEntry初始化自旋锁，创建两个任务Example_SpinTask1、Example_SpinTask2，分别运行于两个核。
-
Example_SpinTask1、Example_SpinTask2中均执行申请自旋锁的操作，同时为了模拟实际操作，在持有自旋锁后进行延迟操作，最后释放自旋锁。
-
300Tick后任务Example_TaskEntry被调度运行，删除任务Example_SpinTask1和Example_SpinTask2。
#include "los_spinlock.h"
#include "los_task.h"
/* 自旋锁句柄id */
SPIN_LOCK_S g_testSpinlock;
/* 任务ID */
UINT32 g_testTaskId01;
UINT32 g_testTaskId02;
VOID Example_SpinTask1(VOID)
{
UINT32 i;
UINTPTR intSave;
/* 申请自旋锁 */
dprintf("task1 try to get spinlock\n");
LOS_SpinLockSave(&g_testSpinlock, &intSave);
dprintf("task1 got spinlock\n");
for(i = 0; i < 5000; i++) {
asm volatile("nop");
}
/* 释放自旋锁 */
dprintf("task1 release spinlock\n");
LOS_SpinUnlockRestore(&g_testSpinlock, intSave);
return;
}
VOID Example_SpinTask2(VOID)
{
UINT32 i;
UINTPTR intSave;
/* 申请自旋锁 */
dprintf("task2 try to get spinlock\n");
LOS_SpinLockSave(&g_testSpinlock, &intSave);
dprintf("task2 got spinlock\n");
for(i = 0; i < 5000; i++) {
asm volatile("nop");
}
/* 释放自旋锁 */
dprintf("task2 release spinlock\n");
LOS_SpinUnlockRestore(&g_testSpinlock, intSave);
return;
}
UINT32 Example_TaskEntry(VOID)
{
UINT32 ret;
TSK_INIT_PARAM_S stTask1;
TSK_INIT_PARAM_S stTask2;
/* 初始化自旋锁 */
LOS_SpinInit(&g_testSpinlock);
/* 创建任务1 */
memset(&stTask1, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
stTask1.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_SpinTask1;
stTask1.pcName = "SpinTsk1";
stTask1.uwStackSize = LOSCFG_TASK_MIN_STACK_SIZE;
stTask1.usTaskPrio = 5;
#ifdef LOSCFG_KERNEL_SMP
/* 绑定任务到CPU0运行 */
stTask1.usCpuAffiMask = CPUID_TO_AFFI_MASK(0);
#endif
ret = LOS_TaskCreate(&g_testTaskId01, &stTask1);
if(ret != LOS_OK) {
dprintf("task1 create failed .\n");
return LOS_NOK;
}
/* 创建任务2 */
memset(&stTask2, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
stTask2.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_SpinTask2;
stTask2.pcName = "SpinTsk2";
stTask2.uwStackSize = LOSCFG_TASK_MIN_STACK_SIZE;
stTask2.usTaskPrio = 5;
#ifdef LOSCFG_KERNEL_SMP
/* 绑定任务到CPU1运行 */
stTask1.usCpuAffiMask = CPUID_TO_AFFI_MASK(1);
#endif
ret = LOS_TaskCreate(&g_testTaskId02, &stTask2);
if(ret != LOS_OK) {
dprintf("task2 create failed .\n");
return LOS_NOK;
}
/* 任务休眠300Ticks */
LOS_TaskDelay(300);
/* 删除任务1 */
ret = LOS_TaskDelete(g_testTaskId01);
if(ret != LOS_OK) {
dprintf("task1 delete failed .\n");
return LOS_NOK;
}
/* 删除任务2 */
ret = LOS_TaskDelete(g_testTaskId02);
if(ret != LOS_OK) {
dprintf("task2 delete failed .\n");
return LOS_NOK;
}
return LOS_OK;
}
运行结果
task2 try to get spinlock
task2 got spinlock
task1 try to get spinlock
task2 release spinlock
task1 got spinlock
task1 release spinlock
总结
-
自旋锁用于解决CPU核间竞争资源的问题
-
因为自旋锁会让CPU陷入睡眠状态,所以锁的代码不能太长,否则容易导致意外出现,也影响性能.
-
必须由汇编代码实现,因为C语言写不出让CPU进入真正睡眠,核间竞争的代码.
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