spinlock理解

原创 关于内核中spinlock的一些个人理解收藏

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由于2.6内核可以抢占，应该在驱动程序中使用 preempt_disable() 和 preempt_enable()，从而保护代码段不被抢占（禁止 IRQ 同时也就隐式地禁止了抢占）。preempt_disable和preempt_enable 调用。spin_lock_irq的功能和上面的spin_lock提供的功能差不多，只不过它还多做了一步，就是把中断也关上，主要用于当前保护的数据在可能的中断程序中也要用到的情况。spin_lock_irqsave和spin_lock_irq的功能一样，只不过调用这个函数以后可以把当前的中断状态记下了，以备以后恢复。

在多CPU的环境下情况就比较复杂了，因为同时可能有几个程序在运行（是真正的同时），所以必须要定义一个变量当作锁的功能，linux是这样规定的，当这个变量为1时，那么其保护的变量可以被访问，当其值为0时，那么其保护的临界数据不可以被访问，其中，要改变变量锁的值也很有学问，就是不能让几个CPU同时去改，负责就会出现不同步的情况。如spin_lock在多cpu的时候就被?/

在这里，我主要把自己对内核中spinlock的一些理解写出来，并不是要告诉大家什么（因为我对我所说的也不能确定），而是希望大家对我的这些理解对的地方给我肯定，错误的地方给我指出。

和spinlock 相关的文件主要有两个，一个是include/linux/spinlock.h，主要是提供关于和硬件无关的spinlock的几个对外主函数，一个是 include/asm-XXX/spinlock.h，用来提供和硬件相关的功能函数。另外，在2.6的内核中，又多了一个文件， include/linux/preempt.h，为新增加的抢占式多任务功能提供一些服务。

spinlock的作用：spinlock系列函数主要用于保护临界数据（非常重要的数据）不被同时访问（给临界数据加锁），用以达到多任务的同步。如果一个数据当前不可访问，那么就一直等，直到可以访问为止。

spinlock 函数的使用前提：首先，spinklock函数只能使用在内核中，或者说只能使用在内核状态下，在2.6以前的内核是不可抢占的，也就是说，当运行于内核状态下时，是不容许切换到其他进程的。而在2.6以后的内核中，编译内核的时候多了一个选项，可以配置内核是否可以被抢占，这也就是为什么在2.6的内核中多了一个preempt.h的原因。

spinlock主要包含以下几个函数：

spin_lock

spin_unlock

spin_lock_irqsave

spin_lock_irq

spin_unlock_irqrestore

spin_unlock_irq

另外还有其他很多，如关于读者写者的一套函数，关于bottom half一套函数（关于bottom half的代码我还没有读到），还有还提供了一套用bit实现加锁的函数，由于大概意思都相同，所以我这里就不说了（只想简单说说，没想到东西还挺多，我的手都快冻僵了，江南的冬天真的受不了：）

spinlock函数根据机器的配置分为两套，单CPU和多CPU，先来看看单CPU的情况。

在单CPU的情况下，spin_lock和spin_unlock函数都被定义成空操作（do { } while(0)），这是因为我们上面说的，内核不可以被抢占的原因。所以，在单CPU的情况下，只要你能够保证你要保护的临界数据不会在中断中用到的话，那么你的数据已经是受保护的了，不需要做任何操作。在2.6内核中，这两个函数就不再这么简单了，因为内核也有可能被其他程序中断，所以要保护数据，还要让调度程序暂时不调度此段程序，也就是说，暂时禁止抢占式任务调度功能，所以在上面两个函数中分别多了一个

需要澄清的是，互斥手段的选择，不是根据临界区的大小，而是根据临界区的性质，以及

有哪些部分的代码，即哪些内核执行路径来争夺。

从严格意义上说，semaphore和spinlock_XXX属于不同层次的互斥手段，前者的

实现有赖于后者，这有点象HTTP和TCP的关系，都是协议，但层次是不同的。

先说semaphore，它是进程级的，用于多个进程之间对资源的互斥，虽然也是在

内核中，但是该内核执行路径是以进程的身份，代表进程来争夺资源的。如果

竞争不上，会有context switch，进程可以去sleep，但CPU不会停，会接着运行

其他的执行路径。从概念上说，这和单CPU或多CPU没有直接的关系，只是在

semaphore本身的实现上，为了保证semaphore结构存取的原子性，在多CPU中需要

spinlock来互斥。

在内核中，更多的是要保持内核各个执行路径之间的数据访问互斥，这是最基本的

互斥问题，即保持数据修改的原子性。semaphore的实现，也要依赖这个。在单CPU

中，主要是中断和bottom_half的问题，因此，开关中断就可以了。在多CPU中，

又加上了其他CPU的干扰，因此需要spinlock来帮助。这两个部分结合起来，

就形成了spinlock_XXX。它的特点是，一旦CPU进入了spinlock_XXX，它就不会

干别的，而是一直空转，直到锁定成功为止。因此，这就决定了被

spinlock_XXX锁住的临界区不能停，更不能context switch，要存取完数据后赶快

出来，以便其他的在空转的执行路径能够获得spinlock。这也是spinlock的原则

所在。如果当前执行路径一定要进行context switch，那就要在schedule()之前

释放spinlock，否则，容易死锁。因为在中断和bh中，没有context，无法进行

context switch，只能空转等待spinlock，你context switch走了，谁知道猴年

马月才能回来。

因为spinlock的原意和目的就是保证数据修改的原子性，因此也没有理由在spinlock

锁住的临界区中停留。

spinlock_XXX有很多形式，有

  spin_lock()/spin_unlock()，

  spin_lock_irq()/spin_unlock_irq()，

  spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore()

  spin_lock_bh()/spin_unlock_bh()

  local_irq_disable/local_irq_enable

  local_bh_disable/local_bh_enable

那么，在什么情况下具体用哪个呢？这要看是在什么内核执行路径中，以及要与哪些内核

执行路径相互斥。我们知道，内核中的执行路径主要有：

1  用户进程的内核态，此时有进程context，主要是代表进程在执行系统调用

    等。

2  中断或者异常或者自陷等，从概念上说，此时没有进程context，不能进行

    context switch。

3  bottom_half，从概念上说，此时也没有进程context。

4  同时，相同的执行路径还可能在其他的CPU上运行。

这样，考虑这四个方面的因素，通过判断我们要互斥的数据会被这四个因素中

的哪几个来存取，就可以决定具体使用哪种形式的spinlock。如果只要和其他CPU

互斥，就要用spin_lock/spin_unlock，如果要和irq及其他CPU互斥，就要用

spin_lock_irq/spin_unlock_irq，如果既要和irq及其他CPU互斥，又要保存

EFLAG的状态，就要用spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore，如果

要和bh及其他CPU互斥，就要用spin_lock_bh/spin_unlock_bh，如果不需要和

其他CPU互斥，只要和irq互斥，则用local_irq_disable/local_irq_enable，

如果不需要和其他CPU互斥，只要和bh互斥，则用local_bh_disable/local_bh_enable，

等等。值得指出的是，对同一个数据的互斥，在不同的内核执行路径中，

所用的形式有可能不同(见下面的例子)。

举一个例子。在中断部分中有一个irq_desc_t类型的结构数组变量irq_desc[]，

该数组每个成员对应一个irq的描述结构，里面有该irq的响应函数等。

在irq_desc_t结构中有一个spinlock，用来保证存取(修改)的互斥。

对于具体一个irq成员，irq_desc[irq]，对其存取的内核执行路径有两个，一是

在设置该irq的响应函数时(setup_irq)，这通常发生在module的初始化阶段，或

系统的初始化阶段；二是在中断响应函数中(do_IRQ)。代码如下：

int setup_irq(unsigned int irq, struct irqaction * new)

{

        int shared = 0;

        unsigned long flags;

        struct irqaction *old, **p;

        irq_desc_t *desc = irq_desc + irq;

        /*

         * Some drivers like serial.c use request_irq() heavily,

         * so we have to be careful not to interfere with a

         * running system.

         */

        if (new->flags & SA_SAMPLE_RANDOM) {

                /*

                 * This function might sleep, we want to call it first,

                 * outside of the atomic block.

                 * Yes, this might clear the entropy pool if the wrong

                 * driver is attempted to be loaded, without actually

                 * installing a new handler, but is this really a problem,

                 * only the sysadmin is able to do this.

                 */

                rand_initialize_irq(irq);

        }

        /*

         * The following block of code has to be executed atomically

         */

[1]     spin_lock_irqsave(&desc->lock,flags);

        p = &desc->action;

        if ((old = *p) != NULL) {

                /* Can't share interrupts unless both agree to */

                if (!(old->flags & new->flags & SA_SHIRQ)) {

[2]                     spin_unlock_irqrestore(&desc->lock,flags);

                        return -EBUSY;

                }

                /* add new interrupt at end of irq queue */

                do {

                        p = &old->next;

                        old = *p;

                } while (old);

                shared = 1;

        }

        *p = new;

        if (!shared) {

                desc->depth = 0;

                desc->status &= ~(IRQ_DISABLED | IRQ_AUTODETECT | IRQ_WAITING);

                desc->handler->startup(irq);

        }

[3]     spin_unlock_irqrestore(&desc->lock,flags);

        register_irq_proc(irq);

        return 0;

}

asmlinkage unsigned int do_IRQ(struct pt_regs regs)

{       

        /*

         * We ack quickly, we don't want the irq controller

         * thinking we're snobs just because some other CPU has

         * disabled global interrupts (we have already done the

         * INT_ACK cycles, it's too late to try to pretend to the

         * controller that we aren't taking the interrupt).

         *

         * 0 return value means that this irq is already being

         * handled by some other CPU. (or is disabled)

         */

        int irq = regs.orig_eax & 0xff; /* high bits used in ret_from_ code  */

        int cpu = smp_processor_id();

        irq_desc_t *desc = irq_desc + irq;

        struct irqaction * action;

        unsigned int status;

        kstat.irqs[cpu][irq]++;

[4]     spin_lock(&desc->lock);

        desc->handler->ack(irq);

        /*

           REPLAY is when Linux resends an IRQ that was dropped earlier

           WAITING is used by probe to mark irqs that are being tested

           */

        status = desc->status & ~(IRQ_REPLAY | IRQ_WAITING);

        status |= IRQ_PENDING; /* we _want_ to handle it */

        /*

         * If the IRQ is disabled for whatever reason, we cannot

         * use the action we have.

         */

        action = NULL;

        if (!(status & (IRQ_DISABLED | IRQ_INPROGRESS))) {

                action = desc->action;

                status &= ~IRQ_PENDING; /* we commit to handling */

                status |= IRQ_INPROGRESS; /* we are handling it */

        }

        desc->status = status;

        /*

         * If there is no IRQ handler or it was disabled, exit early.

           Since we set PENDING, if another processor is handling

           a different instance of this same irq, the other processor

           will take care of it.

         */

        if (!action)

                goto out;

        /*

         * Edge triggered interrupts need to remember

         * pending events.

         * This applies to any hw interrupts that allow a second

         * instance of the same irq to arrive while we are in do_IRQ

         * or in the handler. But the code here only handles the _second_

         * instance of the irq, not the third or fourth. So it is mostly

         * useful for irq hardware that does not mask cleanly in an

         * SMP environment.

         */

        for (;;) {

[5]             spin_unlock(&desc->lock);

                handle_IRQ_event(irq, ®s, action);

[6]             spin_lock(&desc->lock);

               

                if (!(desc->status & IRQ_PENDING))

                        break;

                desc->status &= ~IRQ_PENDING;

        }

        desc->status &= ~IRQ_INPROGRESS;

out:

        /*

         * The ->end() handler has to deal with interrupts which got

         * disabled while the handler was running.

         */

        desc->handler->end(irq);

[7]     spin_unlock(&desc->lock);

        if (softirq_pending(cpu))

                do_softirq();

        return 1;

}

在setup_irq()中，因为其他CPU可能同时在运行setup_irq()，或者在运行setup_irq()时，

本地irq中断来了，要执行do_IRQ()以修改desc->status。为了同时防止来自其他CPU和

本地irq中断的干扰，如[1][2][3]处所示，使用了spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore()

而在do_IRQ()中，因为do_IRQ()本身是在中断中，而且此时还没有开中断，本CPU中没有

什么可以中断其运行，其他CPU则有可能在运行setup_irq()，或者也在中断中，但这二者

对本地do_IRQ()的影响没有区别，都是来自其他CPU的干扰，因此只需要用spin_lock/spin_unlock，

如[4][5][6][7]处所示。值得注意的是[5]处，先释放该spinlock，再调用具体的响应函数。

再举个例子：

static void tasklet_hi_action(struct softirq_action *a)

{

        int cpu = smp_processor_id();

        struct tasklet_struct *list;

[8]     local_irq_disable();

        list = tasklet_hi_vec[cpu].list;

        tasklet_hi_vec[cpu].list = NULL;

[9]     local_irq_enable();

        while (list) {

                struct tasklet_struct *t = list;

                list = list->next;

                if (tasklet_trylock(t)) {

                        if (!atomic_read(&t->count)) {

                                if (!test_and_clear_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state))

                                        BUG();

                                t->func(t->data);

                                tasklet_unlock(t);

                                continue;

                        }

                        tasklet_unlock(t);

                }

[10]            local_irq_disable();

                t->next = tasklet_hi_vec[cpu].list;

                tasklet_hi_vec[cpu].list = t;

                __cpu_raise_softirq(cpu, HI_SOFTIRQ);

[11]            local_irq_enable();

        }

}

这里，对tasklet_hi_vec[cpu]的修改，不存在CPU之间的竞争，因为每个CPU有各自独立的数据，

所以只要防止irq的干扰，用local_irq_disable/local_irq_enable即可，如[8][9][10][11]处

所示。