Linux设备驱动程序 之 自旋锁

Posted 2020-11-21 Alex

概念

自旋锁可以再不能休眠的代码中使用，比如中断处理例程；在正确使用的情况下，自旋锁通常可以提供比信号量更高的性能；

一个自旋锁是一个互斥设备，它只能由两个值，锁定和解锁；通常实现为某个整数值中的单个位；希望获得特定锁的代码测试相关位，如果锁可用，则锁定位被设置，而嗲吗继续进入临界区；相反，如果锁被其他人获得，则代码进入忙循环并重复检查这个锁，直到该锁可用为止；这循环就是自旋锁自旋的部分；

自旋锁在不同的架构上实现有所不同，但是核心概念低于所有系统都都是一样的，当存在某个自旋锁时，等待执行忙循环的处理器做不了任何有用的工作；

自旋锁最初是为了在多处理器系统上使用而设计的，考虑到并发问题，单处理器工作站在运行可抢占内核时，其行为类似于SMP；因为抢占，即使不打算在SMP系统上运行自己的嗲吗，我们仍然需要实现正确的锁定；

自旋锁和原子上下文

适用于自旋锁的规则是：任何拥有自旋锁的代码都必须是原子的，它不能休眠；事实上，它不能因为任何原因放弃处理器，除了服务中断以外(某些情况下此时也不能放弃处理器);

内核抢占的情况有自旋锁代码本身处理；任何时候，只要内核代码拥有自旋锁，在相关处理器上的抢占就会被禁止；甚至在单处理器上，也必须以同样的方式禁止抢占以避免竞态；

在拥有锁的时候避免休眠有时候很难做到，休眠可能发生在很多无法预期的地方，当我们编写需要在自旋锁下执行的代码时，必须注意每一个调用的函数；

另外一种情形，当驱动程序正在执行时，并且获取了一个锁，这个锁控制着对设备的访问；在这个时候，设备产生了一个中断，导致中断处理例程会被调用；而中断处理例程在访问设备之前，也要获取这个锁；在中断处理例程中拥有锁是合法的；但是，中断处理例程在最初拥有锁的代码所在的处理器上运行时，处于自旋获取锁的状态，而此时非中断代码将没有任何机会释放这个锁；处理器将永远自旋下去；为了避免这种情况，我们需要在拥有自旋锁时禁止本地cpu对的中断；

自旋锁使用的最后一个重要规则：自旋锁必须在可能的最短时间内拥有；拥有自旋锁的时间越长，其他处理器不得不自旋等待释放该自旋锁的时间就越长；长时间拥有锁将阻止当前处理器的调度，这意味着更高优先级的进程不得不等待；为了避免这种问题，谨记拥有锁的时间越短越好；

自旋锁使用

使用自旋锁需要包含<linux/spinlock.h>头文件；实际锁具有spinlock_t类型，和其他任何数据结构类似，一个自旋锁必须被初始化；

编译期间静态的声明和初始化使用如下方式：

1 #define DEFINE_SPINLOCK(x)

或者可以调用下面宏对spinlock进行运行时的动态初始化：

1 #define spin_lock_init(_lock)

在进入临界区之前，需要使用spin_lock相关函数获取锁：注意：所有的自旋锁等待在本质上都是不可中断的，一旦调用了spin_lock，在获得锁之前将一直处于自旋状态；

 1 static __always_inline void spin_lock(spinlock_t *lock)
 2 
 3 /* 禁止软中断，硬件中断是打开的 */
 4 static __always_inline void spin_lock_bh(spinlock_t *lock)
 5 
 6 /* 禁止本地中断，不保存中断状态，需要确保没有其他代码禁止本地处理器中断 */
 7 static __always_inline void spin_lock_irq(spinlock_t *lock)
 8 
 9 /* 禁止本地处理器中断，保存中断状态 */
10 #define spin_lock_irqsave(lock, flags)                

在离开临界区时，要释放已经获取的锁，可以使用下面方法：

1 static __always_inline void spin_unlock(spinlock_t *lock)
2 
3 static __always_inline void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock)
4 
5 static __always_inline void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock)
6 
7 static __always_inline void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags)

内核还提供了非阻塞的锁定方法：

1 static __always_inline int spin_trylock(spinlock_t *lock)
2 
3 static __always_inline int spin_trylock_bh(spinlock_t *lock)
4 
5 static __always_inline int spin_trylock_irq(spinlock_t *lock)
6 
7 #define spin_trylock_irqsave(lock, flags)

读写自旋锁

内核提供了自旋锁的读/写形式，这种锁允许任意数量的读取者同时进入临界区，但写入者必须互斥访问，即写者会自旋等待获取锁；读/写自旋锁使用rwlock_t类型，在<linux/rwlock_types.h>和<linux/rwlock.h>中定义，使用读写自旋锁需要包含这两个头文件；

静态声明和初始化：

1 #define DEFINE_RWLOCK(x)

动态声明和初始化：

1 # define rwlock_init(lock)

获取锁的方法如下：

 

 1 #define read_trylock(lock)
 2 #define write_trylock(lock)
 3 
 4 #define write_lock(lock)
 5 #define read_lock(lock)
 6 
 7 #define read_lock_irqsave(lock, flags)            
 8 #define write_lock_irqsave(lock, flags)                
 9 
10 #define read_lock_irq(lock)        _raw_read_lock_irq(lock)
11 #define read_lock_bh(lock)        _raw_read_lock_bh(lock)
12 #define write_lock_irq(lock)        _raw_write_lock_irq(lock)
13 #define write_lock_bh(lock)        _raw_write_lock_bh(lock)

释放锁的方法如下：

1 #define read_unlock(lock)
2 #define write_unlock(lock)
3 #define read_unlock_irq(lock)
4 #define write_unlock_irq(lock)    
5 #define read_unlock_irqrestore(lock, flags)            
6 #define read_unlock_bh(lock)
7 #define write_unlock_irqrestore(lock, flags)        
8 #define write_unlock_bh(lock)