????????在linux中提供了一些鎖機(jī)制來避免競(jìng)爭(zhēng)，引入鎖的機(jī)制是因?yàn)閱为?dú)的原子操作不能滿足復(fù)雜的內(nèi)核設(shè)計(jì)需求。Linux中一般可以認(rèn)為有兩種鎖，一種是自旋鎖，另一種是信號(hào)量。這兩種鎖是為了解決內(nèi)核中遇到的不同問題開發(fā)的。其實(shí)現(xiàn)機(jī)制和應(yīng)用場(chǎng)合有所不同。

自旋鎖是一種簡(jiǎn)單的并發(fā)控制機(jī)制，其是實(shí)現(xiàn)信號(hào)量和完成量的基礎(chǔ)。自旋鎖對(duì)資源有很好的保護(hù)作用。

????????自旋鎖的使用

在linux中，自旋鎖的類型為struct spinlock_t。內(nèi)核提供了一系列的函數(shù)對(duì)struct spinlock_t進(jìn)行操作。

1. 定義和初始化自旋鎖

????????spinlock_t lock; /* 定義自旋鎖 */

????????自旋鎖必須初始化才能被使用，對(duì)自旋鎖的初始化可以在編譯階段通過宏來實(shí)現(xiàn)。初始化自旋鎖可以使用宏SPIN_LOCK_UNLOCKED，這個(gè)宏表示一個(gè)沒有鎖定的自旋鎖。

????????spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED; /* 初始化一個(gè)未使用的自旋鎖 */

????????在運(yùn)行階段，可以使用spin_lock_init()函數(shù)動(dòng)態(tài)的初始化一個(gè)自旋鎖：

????????void spin_lock_init(spinlock_t lock);

2. 鎖定自旋鎖

????????在進(jìn)入臨界區(qū)前，需要使用spin_lock宏來獲得自旋鎖。spin_lock宏定義如下：

????????#define spin_lock(lock) ??_spin_lock(lock)

????????這個(gè)宏用來獲得lock自旋鎖，如果能夠立即獲得自旋鎖，則宏立刻返回；否則，這個(gè)鎖會(huì)一直自旋在那里，直到該鎖被其他線程釋放為止。

3. 釋放自旋鎖

????????當(dāng)不在使用臨界區(qū)時(shí)，需要使用spin_unlock宏釋放自旋鎖。spin_unlock宏定義如下：

????????#define spin_unlock(lock) ??_spin_unlock(lock)

????????這個(gè)宏用來釋放lock自旋鎖，當(dāng)調(diào)用該宏之后，鎖立刻被釋放。

4. 使用自旋鎖

????????最基本的自旋鎖 API 函數(shù)如下所示：

4.1 定義并初始化一個(gè)自旋鎖變量。

??????DEFINE_SPINLOCK(spinlock_t lock)；
4.2 初始化自旋鎖：

????????int spin_lock_init(spinlock_t *lock)；
4.3 獲取指定的自旋鎖，也叫做加鎖。

????????void spin_lock(spinlock_t *lock)；

4.4釋放指定的自旋鎖。

????????void spin_unlock(spinlock_t *lock)；
4.5 嘗試獲取指定的自旋鎖，如果沒有獲取到就返回 0

????????int spin_trylock(spinlock_t *lock)；
4.6 檢查指定的自旋鎖是否被獲取，如果沒有被獲取就返回非 0，否則返回 0。

?????????int spin_is_locked(spinlock_t *lock)；

????????自旋鎖API函數(shù)適用于SMP或支持搶占的單CPU下線程之間的并發(fā)訪問，也就是用于線程與線程之間。

????????使用自旋鎖的方法：

????????spinlock_t lock; ???????/* 定義自旋鎖 */

????????spin_lock_init(&lock); ??/* 初始化自旋鎖 */

????????spin_lock(&lock); ??????/* 獲得自旋鎖 */

????????/* 臨界資源 */

????????spin_unlock(&lock); ????/* 釋放自旋鎖 */

????????在驅(qū)動(dòng)程序中，有些設(shè)備只允許打開一次，那么就需要一個(gè)自旋鎖保護(hù)表示設(shè)備的打開或關(guān)閉狀態(tài)的變量count。此處count屬于臨界資源，如果不對(duì)count進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)設(shè)備頻繁打開時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤得count計(jì)數(shù)。使用自旋鎖包含count的代碼如下：

int count=0; spinlock_t lock; int xxx_int(void) {...spin_lock_init(&lock);... } /* 文件打開函數(shù) */ int xxx_open(struct inode *inode, struct file *filp) {...spin_lock(&lock);if(count){spin_unlock(&lock);return -RBUSY;}count++;spin_unlock(&lock);... } /* 文件釋放函數(shù) */ int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp) {... spin_lock(&lock);count--;spin_unlock(&lock);... }

5. 死鎖

????????兩種死鎖場(chǎng)景：

5.1 由睡眠引起的死鎖

????????被自旋鎖保護(hù)的臨界區(qū)一定不能調(diào)用任何能夠引起睡眠和阻塞的API函數(shù)，否則的話會(huì)可能會(huì)導(dǎo)致死鎖現(xiàn)象的發(fā)生。自旋鎖會(huì)自動(dòng)禁止搶占，也就說當(dāng)線程A得到鎖以后會(huì)暫時(shí)禁止內(nèi)核搶占。如果線程 A 在持有鎖期間進(jìn)入了休眠狀態(tài)，那么線程 A 會(huì)自動(dòng)放棄 CPU 使用權(quán)。線程 B 開始運(yùn)行，線程 B 也想要獲取鎖，但是此時(shí)鎖被 A 線程持有，而且內(nèi)核搶占還被禁止了。線程 B 無法被調(diào)度出去，那么線程 A 就無法運(yùn)行，鎖也就無法釋放，死鎖發(fā)生了。

5.2 由中斷引起的死鎖

????????如果線程 A 時(shí)運(yùn)行，中斷也想訪問共享資源，那該怎么辦呢？首先可以肯定的是，中斷里面可以使用自旋鎖，但是在中斷里面使用自旋鎖的時(shí)候，在獲取鎖之前一定要先禁止本地中斷(也就是本 CPU 中斷，對(duì)于多核 SOC來說會(huì)有多個(gè) CPU 核)，否則可能導(dǎo)致鎖死現(xiàn)象的發(fā)生，如圖下所示：

?????????在圖中，線程 A 先運(yùn)行，并且獲取到了 lock 這個(gè)鎖，當(dāng)線程 A 運(yùn)行 functionA 函數(shù)的時(shí)候中斷發(fā)生了，中斷搶走了 CPU 使用權(quán)。右邊的中斷服務(wù)函數(shù)也要獲取 lock 這個(gè)鎖，但是這個(gè)鎖被線程 A 占有著，中斷就會(huì)一直自旋，等待鎖有效。但是在中斷服務(wù)函數(shù)執(zhí)行完之前，線程 A 是不可能執(zhí)行的，場(chǎng)面就這么僵持著，死鎖發(fā)生。

5.3 解決死鎖問題

????????最好的解決方法就是獲取鎖之前關(guān)閉本地中斷，Linux 內(nèi)核提供了相應(yīng)的 API 函數(shù)，如下所示：

5.3.1 禁止本地中斷，并獲取自旋鎖。

????????void spin_lock_irq(spinlock_t *lock)；

5.3.2 激活本地中斷，并釋放自旋鎖。

????????void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock)；

5.3.3 保存中斷狀態(tài)，禁止本地中斷，并獲取自旋鎖。

????????void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags)

5.3.4 將中斷狀態(tài)恢復(fù)到以前的狀態(tài)，并且激活本地中斷，釋放自旋鎖。

????????void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags)

????????使用 spin_lock_irq/spin_unlock_irq 的時(shí)候需要用戶能夠確定加鎖之前的中斷狀態(tài)，但實(shí)際上內(nèi)核很龐大，運(yùn)行也是“千變?nèi)f化”，我們是很難確定某個(gè)時(shí)刻的中斷狀態(tài)，因此不推薦使用

spin_lock_irq/spin_unlock_irq。建議使用 spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore，因?yàn)檫@一組函數(shù)會(huì)保存中斷狀態(tài)，在釋放鎖的時(shí)候會(huì)恢復(fù)中斷狀態(tài)。一般在線程中使用 spin_lock_irqsave/

spin_unlock_irqrestore，在中斷中使用 spin_lock/spin_unlock，示例代碼如下所示：

/* 線程 A */ void functionA (){unsigned long flags; /* 中斷狀態(tài) */spin_lock_irqsave(&lock, flags) /* 獲取鎖 *//* 臨界區(qū) */spin_unlock_irqrestore(&lock, flags) /* 釋放鎖 */ }/* 中斷服務(wù)函數(shù) */ void irq() {spin_lock(&lock) /* 獲取鎖 *//* 臨界區(qū) */spin_unlock(&lock) /* 釋放鎖 */ }

6. 自旋鎖的使用注意事項(xiàng)

????????在使用自旋鎖時(shí)，需要注意以下幾項(xiàng)：

6.1 自旋鎖是一種忙等待。Linux中，自旋鎖當(dāng)條件不滿足時(shí)，會(huì)一直不斷地循環(huán)條件是否被滿足。如果滿足就解鎖，繼續(xù)運(yùn)行下面的代碼。這種忙等待機(jī)制對(duì)系統(tǒng)的性能是有影響的。所以應(yīng)該注意使用自旋鎖時(shí)，自旋鎖不應(yīng)該長(zhǎng)時(shí)間的持有，它是一種適合短時(shí)間鎖定的輕量級(jí)的加鎖機(jī)制。

6.2 自旋鎖不能遞歸使用。這是因?yàn)樽孕i被設(shè)計(jì)成在不同線程或函數(shù)之間同步。如果一個(gè)線程在已經(jīng)持有自旋鎖時(shí)，其處于忙等待狀態(tài)，則已經(jīng)沒有機(jī)會(huì)釋放自己持有的鎖了。如果這時(shí)在調(diào)用自身，則自旋鎖永遠(yuǎn)沒有執(zhí)行的機(jī)會(huì)了。所以類似下面的遞歸形式不能使用自旋鎖：

void A() {鎖定自旋鎖;A();鎖定自旋鎖; }

6.3 自旋鎖保護(hù)的臨界區(qū)內(nèi)不能調(diào)用任何可能導(dǎo)致線程休眠的 API 函數(shù)，否則的話可能導(dǎo)致死鎖。

補(bǔ)充：

臨界資源：系統(tǒng)中某些資源一次只允許一個(gè)進(jìn)程使用，稱這樣的資源為臨界資源或互斥資源或共享變量。

臨界區(qū)：指的是一個(gè)訪問臨界資源的程序片段。

還有其他類型的鎖，如順序鎖，待學(xué)習(xí)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的设备驱动中的并发控制-自旋锁的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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