spinlock自旋锁分析

读了这个http://blog.csdn.net/qinzhonghello/article/details/3557055，对自旋锁有了更深的理解。
自旋锁可以使用在中断处理程序中(此处不能使用信号量，因为它会导致睡眠)。在中断处理程序中使用自旋锁时，一定要在获取锁之前，首先禁本地中断（在当前处理器上的中断请求），否则，中断处理程序就会打断正持有锁的内核代码，有可能会试图去争用这个已经被持有的自旋锁。注意，需要关闭的只是当前处理器上的中断，因为如果中断发生在不同的处理器上，即使中断处理程序在同一锁上的自旋，也不会妨碍锁的持有者最终释放锁。
 如果不禁止中断的话，很可能该CPU上的其他线程会中断这个锁，并执行其他的代码。

函数spin_lock_irqsave()保存中断的当然状态，并禁止本地中断，然后再去获取指定的锁。

Spinlock的目的是用来同步SMP中会被多个CPU同时存取的变量。在Linux中，普通的spinlock由于不带额外的语义，是用起来反而要非常小心。

在Linux kernel中执行的代码大体分normal和interrupt context两种。tasklet/softirq可以归为normal因为他们可以进入等待；nested interrupt是interrupt context的一种特殊情况，当然也是interrupt context。Normal级别可以被interrupt抢断，interrupt会被另一个interrupt抢断，但不会被normal中断。各个 interrupt之间没有优先级关系，只要有可能，每个interrupt都会被其他interrupt中断。

我们先考虑单CPU的情况。在这样情况下，不管在什么执行级别，我们只要简单地把CPU的中断关掉就可以达到独占处理的目的。从这个角度来说，spinlock的实现简单地令人乍舌：cli/sti。只要这样，我们就关闭了preemption带来的复杂之门。

单CPU的情况很简单，多CPU就不那么简单了。单纯地关掉当前CPU的中断并不会给我们带来好运。当我们的代码存取一个shared variable时，另一颗CPU随时会把数据改得面目全非。我们需要有手段通知它(或它们，你知道我的意思)——spinlock正为此设。这个例子是我们的第一次尝试：

extern spinlock_t lock;
// ...
spin_lock(&lock);
// do something
spin_unlock(&lock);

他能正常工作吗？答案是有可能。在某些情况下，这段代码可以正常工作，但想一想会不会发生这样的事：

// in normal run level
extern spinlock_t lock;
// ...
spin_lock(&lock);
// do something
                                                                           // interrupted by IRQ ...

                                                                          // in IRQ
                                                                         extern spinlock_t lock;
                                                                         spin_lock(&lock);

喔，我们在normal级别下获得了一个spinlock，正当我们想做什么的时候，我们被interrupt打断了，CPU转而执行interrupt level的代码，它也想获得这个lock，于是“死锁”发生了！解决方法很简单，看看我们第二次尝试：

extern spinlock_t lock;
// ...
cli; // disable interrupt on current CPU
spin_lock(&lock);
// do something
spin_unlock(&lock);
sti; // enable interrupt on current CPU

在获得spinlock之前，我们先把当前CPU的中断禁止掉，然后获得一个lock;在释放lock之后再把中断打开。这样，我们就防止了死锁。事实上，Linux提供了一个更为快捷的方式来实现这个功能:

extern spinlock_t lock;
// ...
spin_lock_irq(&lock);
// do something
spin_unlock_irq(&lock);

如果没有nested interrupt，所有这一切都很好。加上nested interrupt，我们再来看看这个例子:

// code 1
extern spinlock_t lock1;
// ...
spin_lock_irq(&lock);
// do something
spin_unlock_irq(&lock);
 

// code 2
extern spinlock_t lock2;
// ...
spin_lock_irq(&lock2);
// do something
spin_unlock_irq(&lock2);

Code 1和code 2都可运行在interrupt下，我们很容易就可以想到这样的运行次序（）：

 

Code 1                                                                        Code 2

extern spinlock_t lock1;

// ...

spin_lock_irq(&lock1); 

                                                                                   extern spinlock_t lock2;

// ...
spin_lock_irq(&lock1);

// do something 

                                                                                   spin_unlock_irq(&lock2);

                                                                                   // do something

spin_unlock_irq(&lock1); 

问题是在第二个spin_unlock_irq后这个CPU的中断已经被打开，“死锁”的问题又会回到我们身边！

解决方法是我们在每次关闭中断前纪录当前中断的状态，然后恢复它而不是直接把中断打开。

unsigned long flags;
local_irq_save(flags);
spin_lock(&lock);
// do something
spin_unlock(&lock);
local_irq_restore(flags);

Linux同样提供了更为简便的方式:

unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&lock, flags);
// do something

spin_unlock_irqrestore(&lock, flags);