自旋锁原理分析

Posted 2020-12-12 jiau

1. 概念

自旋锁的目的是在短期间内进行轻量级的锁定，解决对某项共享资源的互斥使用，在等待锁重新可用期间进行自旋，所以自旋锁不应该被持有时间过长，如果需要长时间锁定的话，推荐使用信号量。实际操作的数据结构如下：

2. 获取锁

最终执行的代码是体系结构相关的自旋锁实现：arch_spin_lock。

3. 代码分析

static inline void arch_spin_lock(arch_spinlock_t *lock)
{
  unsigned long tmp;
  u32 newval;
  arch_spinlock_t lockval;
  // 处理器通知内存系统将对某个地址的内存进行读写
  prefetchw(&lock->slock);
  // 以独占的方式对 lock->tickets.next 执行 +1 操作
  __asm__ __volatile__(
"1:  ldrex  %0, [%3]
"
"  add  %1, %0, %4
"
"  strex  %2, %1, [%3]
"
"  teq  %2, #0
"
"  bne  1b"
  : "=&r" (lockval), "=&r" (newval), "=&r" (tmp)
  : "r" (&lock->slock), "I" (1 << TICKET_SHIFT)
  : "cc");
  // 判断是否轮到自己拥有自旋锁
  while (lockval.tickets.next != lockval.tickets.owner) {
    // 将当前核心挂起等待其他核心发送信号，也就是等 SEV 指令
    wfe();
    // 读取自旋锁中的 lock->tickets.owner
    lockval.tickets.owner = ACCESS_ONCE(lock->tickets.owner);
  }
  // 数据同步
  smp_mb();
}

4. 释放锁

最终执行的代码是体系结构相关的自旋锁实现：arch_spin_unlock。

5. 代码分析

static inline void arch_spin_unlock(arch_spinlock_t *lock)
{
  // 数据同步
  smp_mb();
  // 将自旋锁交给下一个使用者
  lock->tickets.owner++;
  // 先进行数据同步，然后给其他核心发信号
  dsb_sev();
}

6. 总结

自旋锁底层实现依赖于体系结构相关的汇编指令，在进行自旋锁操作时，使用独占指令LDREX/STREX；在自旋时使用指令WFE将当前核心挂起，等待被唤醒；当核心在释放自旋锁时，使用SEV指令通知其他所有核心。