Linux 内核的同步机制--读写自旋锁

     读写旋转锁是旋转锁的变种，与一般自旋锁不同的是，自旋锁一次只能一个线程进入临界区，而读写旋转锁，可以同时存在多个读者，最多一个写者。

    下面分析下linux源码中读写旋转锁的实现方式：    

typedef struct {
    volatile unsigned int lock;
#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK
    unsigned magic;
#endif
} rwlock_t;

此结构定义在include\asm-*\spinlock.h中， magic 用于调试，lock则是表示最多可以由几个reader进入临界区。

#define RW_LOCK_BIAS         0x01000000
#define RW_LOCK_BIAS_STR    "0x01000000"
#define RW_LOCK_UNLOCKED (rwlock_t) { RW_LOCK_BIAS RWLOCK_MAGIC_INIT }
#define rwlock_init(x)    do { *(x) = RW_LOCK_UNLOCKED; } while(0)
#define rwlock_is_locked(x) ((x)->lock != RW_LOCK_BIAS)

初始化lock为0x01000000，它的取值做够大，可以满足读的请求足够多。当lock != RW_LOCK_BIAS，此时为锁定的，否则可获取锁。

static inline void _raw_read_lock(rwlock_t *rw)
{
#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK
    BUG_ON(rw->magic != RWLOCK_MAGIC);
#endif
    __build_read_lock(rw, "__read_lock_failed");
}

实现读者锁的内部函数，分别调用__build_read_lock，其实现定义在include\asm-*\rwlock.h，第一个参数是允许读的锁，第二个参数实际上是失败的处理函数。

#define __build_write_lock(rw, helper)    do {
                        if (__builtin_constant_p(rw))
                            __build_write_lock_const(rw, helper);
                        else
                            __build_write_lock_ptr(rw, helper);
                    } while (0)

 以上为读锁的实现，__builtin_constant_p  为gcc的内建函数，用于判断一个值是否为编译时常数，如果参数为常数，返回1，否则返回0；它的取决因素是调用参数的操作指令寻址方式，先介绍下const类。

#define __build_write_lock_const(rw, helper)
    asm volatile(LOCK "subl $" RW_LOCK_BIAS_STR ",(%0)nt"
         "jnz 2fn"
         "1:n"
            LOCK_SECTION_START("")
         "2:tpushq %%raxnt"
         "leaq %0,%%raxnt"
         "call " helper "nt"
         "popq %%raxnt"
         "jmp 1bn"
            LOCK_SECTION_END
         :"=m" (*((volatile long *)rw))::"memory")

首先对rw执行减操作，rw - RW_LOCK_BIAS，如果减后的值不为0则执行跳转2，调用__read_lock_failed，否则获取锁。

__build_write_lock_const 与 __build_write_lock_ptr之间的差别就在于前者多了粗体部分代码。

#define LOCK_SECTION_NAME
    ".text.lock." __stringify(KBUILD_BASENAME)
#define LOCK_SECTION_START(extra)
    ".subsection 1nt"
    extra
    ".ifndef " LOCK_SECTION_NAME "nt"
    LOCK_SECTION_NAME ":nt"
    ".endifnt"

#define LOCK_SECTION_END
    ".previousnt"

LOCK_SECTION_START，LOCK_SECTION_END中间的内容是把这一段的代码汇编到一个叫.text.lock的节中，并且这个节的属性是可重定位和可执行的，这样在代码的执行过程中，因为不同的节会被加载到不同的页去，所以如果前面不出现jmp,就在1: 处结束了。而call的是在前面提到的__read_lock_failed，其定义在arch\i386\kernel\semaphore.c中。
 

asm(
".section .sched.textn"
".align    4n"
".globl    __read_lock_failedn"
"__read_lock_failed:nt"
    LOCK "incl    (%eax)n"
"1:    rep; nopnt"
    "cmpl    $1,(%eax)nt"
    "js    1bnt"
    LOCK "decl    (%eax)nt"
    "js    __read_lock_failednt"
    "ret"
);

LOCK 是一个在SMP体系中锁住总线，不让其他的CPU访问内存。

incl (%eax),在__build_write_lock_const中尝试加锁时，递减了lock的值，此处先归还回去；

循环测试直到lock的值为1。如果不为1，则继续尝试获取锁（LOCK "decl (%eax)\n\t"），加锁不成功，从头再来（js __read_lock_failed）；如果为1，则执行到ret,相当于从read_lock返回。

与读自旋锁类似，写锁部分的代码如下：

 

static inline void _raw_write_lock(rwlock_t *rw)
{
#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK
    BUG_ON(rw->magic != RWLOCK_MAGIC);
#endif
    __build_write_lock(rw, "__write_lock_failed");
}

#define __build_write_lock_const(rw, helper)
    asm volatile(LOCK "subl $" RW_LOCK_BIAS_STR ",(%0)nt"
         "jnz 2fn"
         "1:n"
            LOCK_SECTION_START("")
         "2:tpushq %%raxnt"
         "leaq %0,%%raxnt"
         "call " helper "nt"
         "popq %%raxnt"
         "jmp 1bn"
            LOCK_SECTION_END
         :"=m" (*((volatile long *)rw))::"memory")

#define __build_write_lock(rw, helper)    do {
                        if (__builtin_constant_p(rw))
                            __build_write_lock_const(rw, helper);
                        else
                            __build_write_lock_ptr(rw, helper);
                    } while (0)

asm(
".section .sched.textn"
".align    4n"
".globl    __write_lock_failedn"
"__write_lock_failed:nt"
    LOCK "addl    $" RW_LOCK_BIAS_STR ",(%eax)n"
"1:    rep; nopnt"
    "cmpl    $" RW_LOCK_BIAS_STR ",(%eax)nt"
    "jne    1bnt"
    LOCK "subl    $" RW_LOCK_BIAS_STR ",(%eax)nt"
    "jnz    __write_lock_failednt"
    "ret"
);

由以上可看出：

1    读写自旋锁本质上是一个内存计数器，初始化一个很大的值0x01000000，表示可最多存在这么多个读者。

2    获取读锁时，计数器减1，判断符号位是否为1，也就是是否为负数，是则表示已经有写者，读锁获取失败；符号位为0则表示获取读锁成功。

3    获取写锁时，计数器减0x01000000，判断是否为0，是则表示没有其他的读者或者写者，获取锁成功；不为0则表示有其他读者或者写者，获取锁失败。

4    获取读锁失败时，先将计数器加1，判断值是否小于1（减1符号位为1），是则循环判断读，直到值大于1。获取读锁失败时，则表示已有写者，计数器小于等于0.

5    获取写锁失败时，先将计数器增加0x01000000，判断值是否为0x01000000，不为0x01000000则循环判断，直到值为0x01000000为止。为初值0x01000000则表示无锁状态，可以尝试获取锁。

参考：

linux读写锁的理解

http://blog.csdn.net/lzshlzsh/article/details/6912479

linux下写者优先的读写锁的设计

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-rwlock_writing/

linux内核复习之进程同步

汇编学习笔记一则

http://seekingfun.org/blog/2012/02/25/assembly-note/

如何理解leaveq和retq

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