linux驱动程序中的并发控制-2（自旋锁）-44

Posted 2022-12-02 杨斌并

自旋锁（spin lock）

简介

---

• 原子锁和自旋锁的使用范围
  原子操作是一种很好的避免竞态的方式，使用非常简单。但在某些方面却显得过于简单。例如，有很多数据需要被格式化，被添加到某些数据结构中，然后被分析处理。而这些操作又都要求是原子的。这种情况使用控制原子操作的原则变量很难处理或根本无法处理。因此，处理更复杂的并发和竞态就要使用自旋锁。
• 自旋锁特点
  自旋锁从本质上讲就是保证代码段(也称为临界区)的操作是原子的。也就是说，如果要保证某段代码在执行期间不会被打断(原子操作)，就要在代码段执行之前申请自旋锁，然后开始执行代码段中的代码，在执行完原子操作的代码段后，再释放自旋锁。在自旋锁被占用期间，任何进程将无法申请到自旋锁。而这些正在申请自旋锁的进程会在-一个小循环里不断扫描自旋锁，直到自旋锁被释放(空闲状态)才会被申请到。这种机制之所以叫做自旋锁，也就是指未申请到自旋锁时会不断循环(自己在那循环)来等待自旋锁的释放。
• 自旋锁使用
  其实自旋锁从使用方法上看和原子操作有些类似，也是通过一个自旋锁类型(spinlock_ t)的变量控制自旋锁的申请和释放。所以从理解的角度可以将自旋锁想象成一一个变量。 当申请到自旋锁时，会为这个变量设置一一个标记，意思是说“我已经申请到自旋锁了，你们都等一会”， 当释放自旋锁时，会为这个变量设置另外-一个空闲标记，意思是说“自旋锁我已经用完了，你们可以用了”。

使用

---

自旋锁的数据结构的定义

typedef struct spinlock 
	union 
		struct raw_spinlock rlock;

#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
# define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))
		struct 
			u8 __padding[LOCK_PADSIZE];
			struct lockdep_map dep_map;
		;
#endif
	;
 spinlock_t;

• 其本质上是一个整数值（对该数值的操作需要保证原子性），该数值表示spin lock是否可用。初始化的时候被设定为1。当thread想要持有锁的时候调用spin_lock函数，该函数将spin lock那个整数值减去1，然后进行判断，如果等于0，表示可以获取spin lock，如果是负数，则说明其他thread的持有该锁，本thread需要spin。

定义自旋锁的两种方式：

• 定义自旋锁相关的头文件

//里面封装了各种api
#include<linux/spinlock.h>
//结构体
#include<linux/spinlock_types.h>

• 动态的

spinlock_t lock;
spin_lock_init (&lock);

• 静态的

DEFINE_SPINLOCK(lock);

获取自旋锁

使用spin lock 函数可以获取自旋锁，代码如下:

spin_ lock(&lock) ;

• 如果使用spin_lock函数成功获取自旋锁，spin_lock函数会立即返回。如果未获取自旋锁，spinlock函数会被阻塞(在那自旋)，直到可以获取自旋锁才返回。

如果想不管是否成功获取自旋锁都立刻返回，可以使用spin trylock 函数，代码如下:

  if (spin_trylock(&lock))
            printk("spin trylock available \\n");
   else 
            printk("spin trylock unavailable \\n");
  

• 如果获取到锁，则返回非0的值，如果没有则返回0

相关的api

函数	描述
DEFINE_SPINLOCK(lock)	定义和初始化自旋锁变量
void spin_lock_init(spinlock_t *lock)	初始化自旋锁变量
void spin_lock(spinlock_t *lock)	获取自旋锁。如果无法获取自旋锁，则不断自旋(循环)
int spin_trylock(spinlock_t *lock)	来检测自旋锁是否可用获取自旋锁。如果成功获取自旋锁，则立刻返回非0值,如果无法获取自旋锁，则立刻返回0 (并不进行自旋，也就是说该函数不会被阻塞)
void spin_unlock(spinlock_t *lock)	释放自旋锁
void spin_lock_irq(spinlock_t *lock)	获取自旋锁，并禁止中断。相当于spin _lock + local _irq_disable
int spin_trylock_irq(spinlock_t *lock)	获取自旋锁，并禁止中断,果成功获取自旋锁，则立刻返回非0值,如果无法获取自旋锁，则立刻返回0,相当于spin_ trylock + local_irq_disable
void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock)	释放自旋锁，并允许中断。相当于spin_unlock + local_irq_enable
void spin_lock_bh(spinlock_t *lock)	获取自旋锁，并关闭底半部。相当于spin_lock + local_bh_disable
void spin_trylock_bh(spinlock_t *lock)	获取自旋锁，并关闭底半部。如果成功获取自旋锁，立刻返回非0値，否則立刻返回0。相当于spin trylock + local_ bh_ disable
void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock)	释放自旋锁，并打开底半部。相当于spin _unlock +local_bh_enable
int spin_is_locked(spinlock_t *lock)	如果自旋锁已被占用，返回非0值，否则返回0

自旋锁实际上是忙等锁，当锁被占用时，再尝试获取自旋锁时，CPU 会一直循环执行“测试自旋锁”动作，直到自旋锁被释放，并成功获取自旋锁为止。CPU在等待自旋锁时不做任何有用的工作，仅仅是等待。因此，只有在占用锁时间极短的情况下，使用自旋锁才是合理的。当临界区很大(要执行的代码很多)或有共享设备时，需要较长时间占用锁,使用自旋锁就会降低系统性能。

不恰当地使用自旋锁可能导致系统死锁。引发这个问题最常见的情况是递归使用一个自旋锁，即如果一个已经拥有某个自旋锁的CPU想第二次获取这个自旋锁(也就是说,调用spinlock函数获取自旋锁后，在未释放自旋锁之前又调用了spin_lock 函数再次获取自旋锁)，则该CPU将死锁。此外，如果进程获取自旋锁之后被阻塞，也有可能导致死锁的发生。copy_from_user，copy_to_user和kmalloc等函数都有可能引起阻塞，因此在自旋锁的占用期间最好不要调用这些函数。

代码

• spin_lock_test.c

#include<linux/module.h>
#include<linux/init.h>
#include<linux/kernel.h>
#include<linux/uaccess.h>
#include<linux/fs.h>
#include<linux/spinlock.h>
#include<linux/spinlock_types.h>
#include<linux/miscdevice.h>
#include<linux/delay.h>

#define DEVICE_NAME "spin_lock"
static char *data = "read\\n";
static int flag = 1;
//定义一个自旋锁
static DEFINE_SPINLOCK(lock);

static int spin_lock_open(struct inode *node,struct file *file)

    printk("spin_lock_open \\n");


    return 0;



static int spin_lock_release(struct inode *node,struct file *file)
    printk("spin_lock_release \\n");

    return 0;


static int spin_lock_read(struct file * file, char __user * buf, size_t size, loff_t * ppos)
    int data_size = strlen(data);
    if (copy_to_user(buf,(void *)data, data_size))
    
        printk("copy_to_user is error\\n");
        return -EINVAL;
    

    if (flag)
    
       flag = 0;
       if (spin_trylock(&lock))
       

           mdelay(20000);
           spin_unlock(&lock);
       else

           return -EBUSY;
       

       return size;
       
    else
        flag = 1;
        return 0;
    


static int spin_lock_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t * ppos)

    char write_data[10];
    memset(write_data,0,10);
    if (copy_from_user(write_data, buf, size))
    
        printk("copy_from_user is error\\n");
        return -EINVAL;
    

    if (strcmp("lock\\n", write_data) == 0)
       
        printk("write_data is lock\\n");
        spin_lock(&lock);
        printk("spin lock available \\n");
        spin_unlock(&lock);
    else if (strcmp("trylock\\n", write_data) == 0)
    
        printk("write_data is trylock\\n");
        if (spin_trylock(&lock))
        
            printk("spin trylock available \\n");
            spin_unlock(&lock);
        else 

            printk("spin trylock unavailable \\n");
            return -EBUSY;

        
        
    

    return size;


static struct file_operations dev_fops=
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = spin_lock_open,
    .release = spin_lock_release,
    .read = spin_lock_read,
    .write = spin_lock_write
;

static struct miscdevice misc=
    .minor=MISC_DYNAMIC_MINOR,
    .name=DEVICE_NAME,
    .fops=&dev_fops
;


static int demo_init(void)

    int ret=misc_register(&misc);
    if(ret < 0 )
        printk("atomic_init is error\\n");
        return -1;
    
    printk("demo_init_success\\n");
    return ret;


static void demo_exit(void)
    printk("ademo_exit_success\\n");
    misc_deregister(&misc);



module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("binbing.Yang");

下面的操作都在20秒内

• 使用一个终端 在设备下执行

cat /dev/spin_lock

• 使用另外的两个或者多个终端分别执行如下

echo lock > /dev/spin_lock

echo trylock > /dev/spin_lock

• 当cat /dev/spin_lock时 会收到如下日志

设备打开

• echo trylock > /dev/spin_lock 和 echo trylock > /dev/spin_lock 后 会收到一下日志

spin_trylock 不会阻塞下面的代码

• 20 秒后会收到也就是 当cat /dev/spin_lock 读取到这个节点输入read 时，收到一下日志

spin_lock 会阻塞下面的代码