关于内核中spinlock的一些个人理解

miaow

在这里，我主要把自己对内核中spinlock的一些理解写出来，并不是要告诉大家什么（因为我对我所说的也不能确定），而是希望大家对我的这些理解对的地方给我肯定，错误的地方给我指出。

和spinlock相关的文件主要有两个，一个是include/linux/spinlock.h，主要是提供关于和硬件无关的spinlock的几个对外主函数，一个是include/asm-XXX/spinlock.h，用来提供和硬件相关的功能函数。另外，在2.6的内核中，又多了一个文件，include/linux/preempt.h，为新增加的抢占式多任务功能提供一些服务。

spinlock的作用：spinlock系列函数主要用于保护临界数据（非常重要的数据）不被同时访问（给临界数据加锁），用以达到多任务的同步。如果一个数据当前不可访问，那么就一直等，直到可以访问为止。

spinlock函数的使用前提：首先，spinklock函数只能使用在内核中，或者说只能使用在内核状态下，在2.6以前的内核是不可抢占的，也就是说，当运行于内核状态下时，是不容许切换到其他进程的。而在2.6以后的内核中，编译内核的时候多了一个选项，可以配置内核是否可以被抢占，这也就是为什么在2.6的内核中多了一个preempt.h的原因。

spinlock主要包含以下几个函数：
spin_lock
spin_unlock
spin_lock_irqsave
spin_lock_irq
spin_unlock_irqrestore
spin_unlock_irq
另外还有其他很多，如关于读者写者的一套函数，关于bottom half一套函数（关于bottom half的代码我还没有读到），还有还提供了一套用bit实现加锁的函数，由于大概意思都相同，所以我这里就不说了（只想简单说说，没想到东西还挺多，我的手都快冻僵了，江南的冬天真的受不了：）
spinlock函数根据机器的配置分为两套，单CPU和多CPU，先来看看单CPU的情况。
在单CPU的情况下，spin_lock和spin_unlock函数都被定义成空操作（do { } while(0)），这是因为我们上面说的，内核不可以被抢占的原因。所以，在单CPU的情况下，只要你能够保证你要保护的临界数据不会在中断中用到的话，那么你的数据已经是受保护的了，不需要做任何操作。在2.6内核中，这两个函数就不再这么简单了，因为内核也有可能被其他程序中断，所以要保护数据，还要让调度程序暂时不调度此段程序，也就是说，暂时禁止抢占式任务调度功能，所以在上面两个函数中分别多了一个preempt_disable和preempt_enable调用。spin_lock_irq的功能和上面的spin_lock提供的功能差不多，只不过它还多做了一步，就是把中断也关上，主要用于当前保护的数据在可能的中断程序中也要用到的情况。spin_lock_irqsave和spin_lock_irq的功能一样，只不过调用这个函数以后可以把当前的中断状态记下了，以备以后恢复。

在多CPU的环境下情况就比较复杂了，因为同时可能有几个程序在运行（是真正的同时），所以必须要定义一个变量当作锁的功能，linux是这样规定的，当这个变量为1时，那么其保护的变量可以被访问，当其值为0时，那么其保护的临界数据不可以被访问，其中，要改变变量锁的值也很有学问，就是不能让几个CPU同时去改，负责就会出现不同步的情况。如spin_lock在多cpu的时候就被定义成下面的代码
#define spin_lock_string \
        "\n1:\t" \
        "lock ; decb %0\n\t" \
        "js 2f\n" \
        LOCK_SECTION_START("") \
        "2:\t" \
        "rep;nop\n\t" \
        "cmpb $0,%0\n\t" \
        "jle 2b\n\t" \
        "jmp 1b\n" \
        LOCK_SECTION_END
其中，改变变量锁的值通过在decb %0命令前加一个lock前缀以达到禁止其他CPU运行的目的。这段程序的目的就是监测变量锁的值，看其是否为1，如果是，使其为0，加锁成功，不是就一直循环直到条件满足为止（这段代码我也不太清楚，对gas的语法我还学的不是很透彻，不过大概意思应该是这样的）。看明白这个其他的就很好理解了，基本上都和单CPU的情况一样。

spinlock函数的代码还是很简单的，最主要是会用，比如在内核代码中为什么用spin_lock_irqsave而不用spin_lock_irq或spin_lock函数？这其中往往隐藏着很多东西，在读内核代码的时候如果能注意到这些细节的地方，对你看懂内核代码可能会起着事倍功半的作用，对此我身有体会。