在内核程序开发中,我们经常会使用spin_lock对数据修改进行保护,常规模式如下:

int g_data = 0;

functiona()

{

spin_lock(&g_lock);

//modify global shared data

g_data = 1;

spin_unlock(&g_lock);

}

看上去是没问题了,但在某些情况下,出现了deadlock, 并且原因就是在同一个cpu核上执行functiona的spin_lock 2次导致死锁.

原因是因为functiona会在线程中被执行,也会在软中断被执行. 当functiona先在线程中执行,并且处于spin_lock()和spin_unlock()之间.

此刻,同cpu核上软中断被执行,抢占了当前线程,并且该软中断也调用函数functiona, 然后执行spin_lock()函数,便出现死锁了.

修改方法是把spin_lock()/spin_unlock()改为spin_lock_bh()/spin_unlock_bh(),因为spin_lock_bh()会关闭当前cpu核中断后半部(也就是软中断softirq).

还有spin_lock_irqsave(),会关闭当前cpu核的中断和软中断.

spinlock 是怎么实现的？

看一下源代码：

typedef struct spinlock {
	union {
		struct raw_spinlock rlock;
 
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
# define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))
		struct {
			u8 __padding[LOCK_PADSIZE];
			struct lockdep_map dep_map;
		};
#endif
	};
} spinlock_t;

typedef struct raw_spinlock {
	arch_spinlock_t raw_lock;
#ifdef CONFIG_GENERIC_LOCKBREAK
	unsigned int break_lock;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK
	unsigned int magic, owner_cpu;
	void *owner;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
	struct lockdep_map dep_map;
#endif
} raw_spinlock_t;

typedef struct {
	union {
		u32 slock;
		struct __raw_tickets {
#ifdef __ARMEB__
			u16 next;
			u16 owner;
#else
			u16 owner;
			u16 next;
#endif
		} tickets;
	};
} arch_spinlock_t;

如果忽略 CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC 话，spinlock 主要包含一个arch_spinlock_t的结构，从名字可以看出，这个结构是跟体系结构有关的。

lock操作, 以spin_lock为例:

static inline void spin_lock(spinlock_t *lock)
{
    raw_spin_lock(&lock->rlock);
}

define raw_spin_lock(lock)    _raw_spin_lock(lock)

void __lockfunc _raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)
{
    __raw_spin_lock(lock);
}

// 定义在arch/x86/include/asm/spinlock_types.h
typedef struct arch_spinlock {
    union {
        __ticketpair_t head_tail;
        struct __raw_tickets {
            __ticket_t head, tail; // 注意，x86使用的是小端模式，存在高地址空间的是tail
        } tickets;
    };
} arch_spinlock_t;

// 定义在arch/x86/include/asm中
static __always_inline int __ticket_spin_trylock(arch_spinlock_t *lock)
{
    arch_spinlock_t old, new;
    // 获取旧的ticket信息
    old.tickets = ACCESS_ONCE(lock->tickets);
    // head和tail不一致，说明锁正被占用，加锁不成功
    if (old.tickets.head != old.tickets.tail)
        return 0;

    new.head_tail = old.head_tail + (1 << TICKET_SHIFT); // 将tail + 1

    /* cmpxchg is a full barrier, so nothing can move before it */
    return cmpxchg(&lock->head_tail, old.head_tail, new.head_tail) == old.head_tail;
}

从上述代码中可知，__ticket_spin_trylock的核心功能，就是判断自旋锁是否被占用，如果没被占用，尝试原子性地更新lock中的head_tail的值，将 tail+1，返回是否加锁成功。

而对于spin_lock_bh()和spin_lock_irqsave(),则分别多了一个阻止软中断和中断.