linux 内核同步互斥技术之读写自旋锁

读写自旋锁

读写自旋锁（通常简称读写锁）是对自旋锁的改进，区分读者和写者，允许多个读者同时进入临界区，读者和写者互斥，写者和写者互斥。
如果读者占有读锁，写者申请写锁的时候自旋等待。如果写者占有写锁，读者申请读锁的时候自旋等待。

读写自旋锁的定义如下：
include/linux/rwlock_types.h    
typedef struct {
    arch_rwlock_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
} rwlock_t;
各种处理器架构需要自定义数据类型 arch_rwlock_t， ARM64 架构的定义如下：
arch/arm64/include/asm/spinlock_types.h
typedef struct {
volatile unsigned int lock;
} arch_rwlock_t;

定义并且初始化静态读写自旋锁的方法如下：DEFINE_RWLOCK(x);
在运行时动态初始化读写自旋锁的方法如下：rwlock_init(lock);
申请读锁的函数如下。
（1） read_lock(lock)
申请读锁，如果写者占有写锁，当前处理器自旋等待。
（2） read_lock_bh(lock)
申请读锁，并且禁止当前处理器的软中断。
（3） read_lock_irq(lock)
申请读锁，并且禁止当前处理器的硬中断。
（4） read_lock_irqsave(lock, flags)
申请读锁，保存当前处理器的硬中断状态，并且禁止当前处理器的硬中断。
（5） read_trylock(lock)
尝试申请读锁，如果没有占有写锁的写者，那么申请读锁成功，返回 1；如果写者占有写锁，那么当前处理器不等待，立即返回 0。

释放读锁的函数如下。
（1） read_unlock(lock)
（2） read_unlock_bh(lock)
释放读锁，并且开启当前处理器的软中断。
（3） read_unlock_irq(lock)
释放读锁，并且开启当前处理器的硬中断。
（4） read_unlock_irqrestore(lock, flags)
释放读锁，并且恢复当前处理器的硬中断状态。

申请写锁的函数如下。
（1） write_lock(lock)
申请写锁，如果写者占有写锁或者读者占有读锁，当前处理器自旋等待。
（2） write_lock_bh(lock)
申请写锁，并且禁止当前处理器的软中断。
（3） write_lock_irq(lock)
申请写锁，并且禁止当前处理器的硬中断。
（4） write_lock_irqsave(lock, flags)
申请写锁，保存当前处理器的硬中断状态，并且禁止当前处理器的硬中断。
（5） write_trylock(lock)
尝试申请写锁，如果没有占有锁的写者和读者，那么申请写锁成功，返回 1；如果写者占有写锁或者读者占有读锁，那么当前处理器不等待，立即返回 0。

释放写锁的函数如下。
（1） write_unlock(lock)
（2） write_unlock_bh(lock)
释放写锁，并且开启当前处理器的软中断。
（3） write_unlock_irq(lock)
释放写锁，并且开启当前处理器的硬中断。
（4） write_unlock_irqrestore(lock, flags)
释放写锁，并且恢复当前处理器的硬中断状态。

读写自旋锁使用一个无符号 32 位整数作为计数值，写锁使用最高位，读锁使用其余31 位，算法如下。
（1）申请写锁时，如果计数值是 0，那么设置计数的最高位，进入临界区；如果计数值不是 0，说明写者占有写锁或者读者占有读锁，那么自旋等待。
（2）申请读锁时，如果计数值的最高位是 0，那么把计数加 1，进入临界区；如果计数的最高位不是 0，说明写者占有写锁，那么自旋等待。
（3）释放写锁时，把计数值设置为 0。
（4）释放读锁时，把计数值减 1。
读写自旋锁的缺点是：如果读者很多，写者很难获取写锁，可能饿死。假设有一个读者占有读锁，然后写者申请写锁，写者需要自旋等待，接着另一个读者申请读锁，它可以获取读锁，如果两个读者轮流占有读锁，可能造成写者饿死。
针对这个缺点，内核实现了排队读写锁，主要改进是：如果写者正在等待写锁，那么读者申请读锁时自旋等待，写者在锁被释放以后先得到写锁。排队读写锁的配置宏是 CONFIG_QUEUED_RWLOCKS，源文件是“ kernel/locking/qrwlock.c”（MT 平台目前没有打开此配置）。
include/asm-generic/qrwlock_types.h
……
typedef struct qrwlock {
    atomic_t        cnts;
    arch_spinlock_t     wait_lock;
} arch_rwlock_t;
……
include/asm-generic/qrwlock.h
……
#define arch_read_can_lock(l)   queued_read_can_lock(l)
#define arch_write_can_lock(l)  queued_write_can_lock(l)
#define arch_read_lock(l)   queued_read_lock(l)
#define arch_write_lock(l)  queued_write_lock(l)
#define arch_read_trylock(l)    queued_read_trylock(l)
#define arch_write_trylock(l)   queued_write_trylock(l)
#define arch_read_unlock(l) queued_read_unlock(l)
#define arch_write_unlock(l)    queued_write_unlock(l)
……