7.5　自旋鎖

7.5.1　自旋鎖的使用

自旋鎖（Spin Lock）是一種典型的對臨界資源進行互斥訪問的手段，名稱來源於它的工作方式。為了獲得一個自旋鎖，在某CPU上執行的程式碼需先執行一個原子操作，該操作測試並設定（Test-And-Set）某個記憶體變數。由於它是原子操作，所以在在該操作完成之前其他執行單元不可能訪問這個記憶體變數。如果測試結果表明鎖已經空閒，則程式獲得這個自旋鎖並繼續執行；如果測試結果表明鎖仍被佔用，程式將在一個小的迴圈內重複這個“測試並設定”操作，即進行所謂的“自旋”，通俗地說就是“在原地打轉”，如圖7.7所示。

當自旋鎖的持有者通過重置該變數釋放這個自旋鎖後，某個等待的“測試並設定”操作向其呼叫者報告鎖已釋放。

理解自旋鎖最簡單的方法是把自旋鎖作為一個變數看待，該變數把一個臨界區標記為“我當前在執行，請稍等一會”或者標記為“我當前不在執行，可以被使用”。如果A執行單元首先進入例程，它將持有自旋鎖；當B執行單元試圖進入同一個例程時，將獲知自旋鎖已被持有，需等到A執行單元釋放後才能進入。

Linux中與自旋鎖相關的操作主要有以下4種。

<linux/spinlock.h>

1.定義自旋鎖
spinlock_t lock;
2.初始化自旋鎖
spin_lock_init(lock)

該巨集用於動態初始化自旋鎖lock。

3.獲得自旋鎖
spin_lock(lock)

該巨集用於獲得自旋鎖lock，如果能夠立即獲得鎖，它就馬上返回，否則，它將在那裡自旋，直到該自旋鎖的持有者釋放。

spin_trylock(lock)
該巨集嘗試獲得自旋鎖lock，如果能立即獲得鎖，它獲得鎖並返回true，否則立即返回false，實際上不

再“在原地打轉”。

4.釋放自旋鎖
spin_unlock(lock)

該巨集釋放自旋鎖lock，它與spin_trylock或spin_lock配對使用。

自旋鎖一般這樣被使用：
/* 定義一個自旋鎖 */
spinlock_t lock;
spin_lock_init(&lock);
spin_lock (&lock) ; /* 獲取自旋鎖，保護臨界區 */
. . ./* 臨界區 */

spin_unlock (&lock) ; /* 解鎖 */

自旋鎖主要針對SMP（對稱多處理器）或單CPU但核心可搶佔的情況

儘管使用自旋鎖可以保證臨界區不受別的CPU和本CPU內的搶佔程序打擾，但是得到鎖的程式碼路徑在執行臨界區的時候，還可能受到中斷和底半部（BH）的影響。為了防止這種影響，需要用到自旋鎖的衍生。spin_lock（）/spin_unlock（）是自旋鎖機制的基礎，它們和關中斷local_irq_disable（）/開中斷local_irq_enable（）、關底半部local_bh_disable（）/開底半部local_bh_enable（）、關中斷並儲存狀態標誌local_irq_save（）/開中斷並恢復狀態標誌local_irq_restore（）結合形成了整套自旋鎖機制，關係如下：

spin_lock_irq() = spin_lock() + local_irq_disable()
spin_unlock_irq() = spin_unlock() + local_irq_enable()
spin_lock_irqsave() = spin_lock() + local_irq_save()
spin_unlock_irqrestore() = spin_unlock() + local_irq_restore()
spin_lock_bh() = spin_lock() + local_bh_disable()
spin_unlock_bh() = spin_unlock() + local_bh_enable()

spin_lock_irq（）、spin_lock_irqsave（）、spin_lock_bh（）類似函式會為自旋鎖的使用繫好“安全帶”以避免突如其來的中斷駛入對系統造成的傷害。

在多核程式設計的時候，如果程序和中斷可能訪問同一片臨界資源，一般需要在程序上下文中呼叫

spin_lock_irqsave（）/spin_unlock_irqrestore（），在中斷上下文中呼叫spin_lock（）/spin_unlock（），如圖7.8所示。

這樣，在CPU0上，無論是程序上下文，還是中斷上下文獲得了自旋鎖，此後，如果CPU1無論是程序上下文，還是中斷上下文，想獲得同一自旋鎖，都必須忙等待，這避免一切核間併發的可能性。同時，由於每個核的程序上下文持有鎖的時候用的是spin_lock_irqsave（），所以該核上的中斷是不可能進入的，這避免了核內併發的可能性。

在使用自旋鎖中特別注意如下幾個問題。

1）自旋鎖實際上是忙等鎖，當鎖不可用時，CPU一直迴圈執行“測試並設定”該鎖直到可用而取得該鎖，CPU在等待自旋鎖時不做任何有用的工作，僅僅是等待。因此，只有在佔用鎖的時間極短的情況下，使用自旋鎖才是合理的。當臨界區很大，或有共享裝置的時候，需要較長時間佔用鎖，使用自旋鎖會降低系統的效能。

2）自旋鎖可能導致系統死鎖。引發這個問題最常見的情況是遞迴使用一個自旋鎖，即如果一個已經擁有某個自旋鎖的CPU想第二次獲得這個自旋鎖，則該CPU將死鎖。

3）在自旋鎖鎖定期間不能呼叫可能引起程序排程的函式。如果程序獲得自旋鎖之後再阻塞，如呼叫copy_from_user（）、copy_to_user（）、kmalloc（）和msleep（）等函式，則可能導致核心的崩潰。

4）在單核情況下程式設計時，也應該認為自己的CPU是多核的，驅動特別強調跨平臺的概念。比如，在單CPU的情況下，若中斷和程序可能訪問同一臨界區，程序裡呼叫spin_lock_irqsave（）是安全的，在中斷裡其實不呼叫spin_lock（）也沒有問題，因為spin_lock_irqsave（）可以保證這個CPU的中斷服務程式不可能執行。但是，若CPU變成多核，spin_lock_irqsave（）不能遮蔽另外一個核的中斷，所以另外一個核就可能造成併發問題。因此，無論如何，在中斷服務程式裡也應該呼叫spin_lock（）。