i.MX6ULL终结者Linux并发与竞争自旋锁

日期:2020-12-11

  • 文章目录

    1 自旋锁简介

    2 自旋锁相关函数

    3 其他类型的锁


    1 自旋锁简介

    原子操作只能对整型变量或者位进行保护,但是,在实际的使用环境中怎么可能只有整型变量或位这么简单的临界区。举个最简单的例子,设备结构体变量就不是整型变量,我们对于结构体中成员变量的操作也要保证原子性,在线程 A 对结构体变量使用期间,应该禁止其他的线程来访问此结构体变量,这些工作原子操作都不能胜任,需要本节要讲的锁机制,在 Linux内核中就是自旋锁。

    自旋锁(Spin Lock)是一种典型的对临界资源进行互斥访问的手段,其名称来源于它的工作方式。为了获得一个自旋锁,在某CPU上运行的代码需先执行一个原子操作,该操作测试并设置(Test-And- Set)某个内存变量。由于它是原子操作,所以在该操作完成之前其他执行单元不可能访问这个内存变量。如果测试结果表明锁已经空闲,则程序获得这个自旋锁并继续执行;如果测试结果表明锁仍被占用,程序将在一个小的循环内重复这个“测试并设置”操作,即进行所谓的“自旋”,通俗地说就是“在原地打转”。当自旋锁的持有者通过重置该变量释放这个自旋锁后,某个等待的“测试并设置”操作向其调用者报告锁已释放。

    理解自旋锁最简单的方法是把它作为一个变量看待,该变量把一个临界区标记为“我当前在运行,请稍等一会”或者标记为“我当前不在运行,可以被使用”。如果A执行单元首先进入例程,它将持有自旋锁;当B执行单元试图进入同一个例程时,将获知自旋锁已被持有,需等到A执行单元释放后才能进入。

    Linux 内核使用结构体 spinlock_t 表示自旋锁,结构体定义如下所示:

    在使用自旋锁之前,肯定要先定义一个自旋锁变量,定义方法如下所示:

    spinlock_t lock; //定义自旋锁

    定义好自旋锁变量以后就可以使用相应的 API 函数来操作自旋锁。

    2 自旋锁相关函数

    自旋锁一般这样被使用:

    自旋锁主要针对SMP或单CPU但内核可抢占的情况,对于单CPU和内核不支持抢占的系统,自旋锁退化为空操作。在单CPU和内核可抢占的系统中,自旋锁持有期间中内核的抢占将被禁止。由于内核可抢占的单CPU系统的行为实际上很类似于SMP系统,因此,在这样的单CPU系统中使用自旋锁仍十分必要。另外,在多核SMP的情况下,任何一个核拿到了自旋锁,该核上的抢占调度也暂时禁止了,但是没有禁止另外一个核的抢占调度。

    尽管用了自旋锁可以保证临界区不受别的CPU和本CPU内的抢占进程打扰,但是得到锁的代码在执行临界区的时候,还可能受到中断的影响。为了防止这种影响,就需要用到自旋锁的衍生。自旋锁和中断一起作用,相关函数如下:

    如果进程和中断可能访问同一片临界资源,我们一般需要在进程上下文中调用 spin_lock_irqsave()/spin_unlock_irqrestore(),在中断上下文中调用spin_lock()/spin_unlock(),如下面代码所示。这样,在CPU0上,无论是进程上下文,还是中断上下文获得了自旋锁,此后,如果CPU1无论是进程上下文,还是中断上下文,想获得同一自旋锁,都必须忙等待,这避免一切核间并发的可能性。同时,由于每个核的进程上下文持有锁的时候用的是spin_lock_irqsave(),所以该核上的中断是不可能进入的,这避免了核内并发的可能性。

    驱动工程师应谨慎使用自旋锁,而且在使用中还要特别注意如下几个问题。

    1)自旋锁实际上是忙等锁,当锁不可用时,CPU一直循环执行“测试并设置”该锁直到可用而取得该锁,CPU在等待自旋锁时不做任何有用的工作,仅仅是等待。因此,只有在占用锁的时间极短的情况下,使用自旋锁才是合理的。当临界区很大,或有共享设备的时候,需要较长时间占用锁,使用自旋锁会降低系统的性能。

    2)自旋锁可能导致系统死锁。引发这个问题最常见的情况是递归使用一个自旋锁,即如果一个已经拥有某个自旋锁的CPU想第二次获得这个自旋锁,则该CPU将死锁。

    3)在自旋锁锁定期间不能调用可能引起进程调度的函数。如果进程获得自旋锁之后再阻塞,如调用copy_from_user()、copy_to_user()、kmalloc()和msleep()等函数,则可能导致内核的崩溃。

    4)在单核情况下编程的时候,也应该认为自己的CPU是多核的,驱动特别强调跨平台的概念。比如,在单CPU的情况下,若中断和进程可能访问同一临界区,进程里调用spin_lock_irqsave()是安全的,在中断里其实不调用spin_lock()也没有问题,因为spin_lock_irqsave()可以保证这个CPU的中断服务程序不可能执行。但是,若CPU变成多核,spin_lock_irqsave()不能屏蔽另外一个核的中断,所以另外一个核就可能造成并发问题。因此,无论如何,我们在中断服务程序里也应该调用spin_lock()。

    3 其他类型的锁

    在自旋锁的基础上还衍生出了其他特定场合使用的锁,这些锁在驱动中其实用的不多,更多的是在 Linux 内核中使用,本节我们简单来了解一下这些衍生出来的锁。

    1、读写自旋锁

    自旋锁不关心锁定的临界区究竟在进行什么操作,不管是读还是写,它都一视同仁。即便多个执行单元同时读取临界资源也会被锁住。实际上,对共享资源并发访问时,多个执行单元同时读取它是不会有问题的,自旋锁的衍生锁读写自旋锁(rwlock)可允许读的并发。读写自旋锁是一种比自旋锁粒度更小的锁机制,它保留了“自旋”的概念,但是在写操作方面,只能最多有1个写进程,在读操作方面,同时可以有多个读执行单元。当然,读和写也不能同时进行。

    Linux 内核使用 rwlock_t 结构体表示读写锁,结构体定义如下:

    读写自旋锁相关的API函数如下:

    2、顺序锁

    顺序锁(seqlock)是对读写锁的一种优化,若使用顺序锁,读执行单元不会被写执行单元阻塞,也就是说,读执行单元在写执行单元对被顺序锁保护的共享资源进行写操作时仍然可以继续读,而不必等待写执行单元完成写操作,写执行单元也不需要等待所有读执行单元完成读操作才去进行写操作。但是,写执行单元与写执行单元之间仍然是互斥的,即如果有写执行单元在进行写操作,其他写执行单元必须自旋在那里,直到写执行单元释放了顺序锁。

    对于顺序锁而言,尽管读写之间不互相排斥,但是如果读执行单元在读操作期间,写执行单元已经发生了写操作,那么,读执行单元必须重新读取数据,以便确保得到的数据是完整的。所以,在这种情况下,读端可能反复读多次同样的区域才能读到有效的数据。

    Linux 内核使用 seqlock_t 结构体表示顺序锁,结构体定义如下:

    顺序锁相关API函数:

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