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2015年(33)

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分类: LINUX

2015-06-20 21:31:43

原文地址:spinlock的实现 作者:hubertx

Linux spin_lock的实现

 

Spin_lockLinux内核的一种同步机制。内核代码可以通过获得spin_lock宣称对某一资源的占有,直到其释放该spin_lock;如果内核代码试图获得一个已经锁定的spin_lock,则这部分代码会一直忙等待,直到获得该spin_lock

 

Spin_lockkernel中的实现对单核(UP),多核(SMP)有不同的处理方式。对单核来说,如果spin_lock不处于中断上下文,则spin_lock锁定的代码丢失CPU拥有权,只会在内核抢占的时候发生。所以,对于单核来说,只需要在spin_lock获得锁的时候禁止抢占,释放锁的时候开放抢占。对多核来说,存在两段代码同时在多核上执行的情况,这时候才需要一个真正的锁来宣告代码对资源的占有。

 

include/linux/spinlock.h文件中,给出了UPSMP所涉及的不同的头文件,也很清楚的将两者实现的不同体现出来。

/* * include/linux/spinlock.h - generic spinlock/rwlock declarations here's the role of the various spinlock/rwlock related include files: *
 * on SMP builds: 
* *  asm/spinlock_types.h: contains the arch_spinlock_t/arch_rwlock_t and the initializers 
* *  linux/spinlock_types.h: defines the generic type and initializers 
* *  asm/spinlock.h:       contains the arch_spin_*)/etc. lowlevel implementations, mostly inline assembly code  (also included on UP-ebug builds:) 
* *  linux/spinlock_api_smp.h:  contains the prototypes for the _spin_*() APIs. 
* *  linux/spinlock.h:     builds the final spin_*) APIs. 

* * on UP builds: 
* *  linux/spinlock_type_up.h: contains the generic, simplified UP spinlock type. (which is an empty structure on non-debug builds) 
* *  linux/spinlock_types.h: defines the generic type and initializers 
* *  linux/spinlock_up.h: contains the arch_spin_*)/etc. version of UP builds. (which are NOPs on non-debug, non-preempt builds) * *   (included on UP-non-debug builds:) 
* *  linux/spinlock_api_up.h: builds the _spin_*() APIs. 
* *  linux/spinlock.h:     builds the final spin_*() APIs. 
下面代码表明了UPSMP是通过CONFIG_SMP选项来区分,从而编译不同的头文件。 
  1. /* * Pull the _spin_*()/_read_*()/_write_*() functions/declarations: */ 
  2. #if defined(CONFIG_SMP) || defined(CONFIG_DEBUG_SPINLOCK)
  3. # include <linux/spinlock_api_smp.h>
  4. #else# include <linux/spinlock_api_up.h>
  5. #endif
  6. static inline void spin_lock(spinlock_t *lock)
  7. { raw_spin_lock(&lock->rlock);
  8. }
  9. #define raw_spin_lock(lock) _raw_spin_lock(lock)

UPspin_lock的实现

实现在include/linux/spinlock_api_up.h

  1. /* * In the UP-nondebug case there's no real locking going on, so the * only thing we have to do is tokeep the preempt counts and irq * flags straight, to suppress compiler warnings of unused lock * variables, and to add the proper checker annotations: */
  2. #define __LOCK(lock) \ 
  3. do { 
  4. preempt_disable();
  5.  __acquire(lock); 
  6. (void)(lock); 
  7. } while (0)
  8. #define _raw_spin_lock(lock) __LOCK(lock)

代码表明,spin_lockUP中实际上被处理为三个语句:

preempt_disable();

__acquire(lock);

(void)(lock);

Preempt_disable()将当前进程的preempt_count1,表示禁止内核抢占,那么内核从中断上下文返回时不会发生进程调度。

__acquire(lock)只是使用sparse工具对lock进行检查,否则该宏为空。

另在make 中加入C=1/C=2的参数,则会导致编译时进行sparse检查。

(void)(lock)仅仅是为了防止编译器对lock的未使用报警。

 

SMPspin_lock的实现

实现在include/linux/spinlock_api_smp.h

  1. static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)
  2. { 
  3. preempt_disable(); 
  4. spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_); 
  5. LOCK_CONTENDED(lock, do_raw_spin_trylock, do_raw_spin_lock);}

同样,SMP上的实现被分解为三句话。

Preempt_disable()不用解释

Spin_acquire()同样是sparse检查需要

LOCK_CONTENDED()是一个宏,如果不考虑CONFIG_LOCK_STAT(该宏是为了统计lock的操作),则:

#define LOCK_CONTENDED \    lock

则第三句话等同于:

do_raw_spin_lock(lock)

do_raw_spin_lock()则可以从spinlock.h中找到痕迹:

static inline int do_raw_spin_trylock    return arch_spin_trylock->raw_lock);}

看到arch,我们明白这个函数是体系相关的。下面分别分析ARMx86体现结构下该函数的实现。

 

ARMspin_lock的实现

  1. static inline void arch_spin_lock(arch_spinlock_t *lock)
  2. {
  3. unsigned long tmp;
  4. __asm__ __volatile__("
  5. 1: ldrex %0, [%1]\n"
  6. @将&lock->lock地址中的值,即lock->lock加载到tmp中,并设置&lock->lock为独占访问"
  7. teq %0, #0\n"
  8. @测试tmp是否为0
  9. WFE("ne")
  10. @不为0,则执行WFE指令。不为0,代表锁已被锁定,则通过WFE指令进入suspend mode(clock停止),直到该锁被释放时发出的SEV指令,CPU才会跳出suspend mode"
  11. strexeq %0, %2, [%1]\n"
  12. @将lock->lock加1,并解除lock->lock的锁定状态,tmp中存入返回状态"
  13. teqeq %0, #0\n"
  14. @如果执行成功,则tmp为0,成功获得所"
  15. bne 1b"
  16. @如果执行不成功,则tmp不为0,跳转到标号1处,继续获得锁。
  17. : "=&r" (tmp)
  18. : "r" (&lock->lock), "r" (1) : "cc");
  19. smp_mb(); }

代码是一段内联汇编。Tmp为输出,放在寄存器中,在代码中以%0表示,&lock->lock为输入参数1,放在寄存器中,在代码中以%1表示,常数1为输入参数2,放在寄存器中,在代码中以2%表示。

代码中,ldrex/strex以及WFE指令是关键。因lock->lock放在内存中,那么将lock->lock1这一操作会经过读取内存,+1,写内存的操作,这一过程如果不是原子操作,那么其他核有可能在这一过程中访问lock->lock,造成错误。Ldrex/strexARMarm v6中新增的指令,用于对内存区域的独占访问,WFE指令则可以在空等时间内暂停CPU的时钟,以达到省电的目的。

 

X86spin_lock的实现

X86中的实现在arch/x86/include/asm/spin_lock.h:

  1. static __always_inline void __ticket_spin_lock(arch_spinlock_t *lock){
  2. short inc = 0x0100;
  3. asm volatile (
  4. LOCK_PREFIX "xaddw %w0, %1\n" @对SMP内核来说,LOCK_PREFIX为”\n\tlock” Lock是一个指令前缀,表示在接下来的一个指令内,LOCK信号被ASSERT,指令所访问的内存区域将为独占访问。具体实现或是BUS锁定,或是Cache一致性操作。可参考intel system program guide 8.1 另:这一实现是最新的实现,名为ticket实现,即每个希望获得锁的代码都会得到一张ticket,ticket按顺序增长,锁内部会维护一个当前使用锁的ticket号owner,和下一个使用锁的ticket号next,各一个字节。当锁处于释放状态时,owner=next,如果锁处于锁定状态,则next=owner+1。获得锁的时候,将next+1,释放锁的时候将owner+1。 "1:\t"
  5. "cmpb %h0, %b0\n\t" "je 2f\n\t"
  6. "rep ; nop\n\t"
  7. "movb %1, %b0\n\t"
  8. /* don't need lfence here, because loads are in-order */
  9. "jmp 1b\n" "2:"
  10. : "+Q" (inc), "+m" (lock->slock) :
  11. : "memory", "cc");}

 

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