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分类: LINUX

2013-04-03 14:37:23

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。  
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