一、什么是自旋鎖

一直以為自旋鎖也是用于多線程互斥的一種鎖，原來不是！

自旋鎖是專為防止多處理器并發(fā)(實(shí)現(xiàn)保護(hù)共享資源)而引入的一種鎖機(jī)制。自旋鎖與互斥鎖比較類似，它們都是為了解決對某項(xiàng)資源的互斥使用。無論是互斥鎖，還是自旋鎖，在任何時(shí)刻，最多只能有一個(gè)保持者，也就說，在任何時(shí)刻最多只能有一個(gè)執(zhí)行單元獲得鎖。但是兩者在調(diào)度機(jī)制上略有不同。對于互斥鎖，如果資源已經(jīng)被占用，資源申請者只能進(jìn)入睡眠狀態(tài)。但是自旋鎖不會引起調(diào)用者睡眠，如果自旋鎖已經(jīng)被別的執(zhí)行單元保持，調(diào)用者就一直循環(huán)在那里看是否該自旋鎖的保持者已經(jīng)釋放了鎖，“自旋”一詞就是因此而得名。自旋鎖在內(nèi)核中大量應(yīng)用于中斷處理等部分(對于單處理器來說，防止中斷處理中的并發(fā)可簡單采用關(guān)閉中斷的方式，即在標(biāo)志寄存器中關(guān)閉/打開中斷標(biāo)志位，不需要自旋鎖)。

自旋鎖的初衷就是：在短期間內(nèi)進(jìn)行輕量級的鎖定。一個(gè)被爭用的自旋鎖使得請求它的線程在等待鎖重新可用的期間進(jìn)行自旋(特別浪費(fèi)處理器時(shí)間)，所以自旋鎖不應(yīng)該被持有時(shí)間過長。如果需要長時(shí)間鎖定的話,?最好使用信號量。

自旋鎖只有在內(nèi)核可搶占或SMP(多處理器)的情況下才真正需要，在單CPU且不可搶占的內(nèi)核下，自旋鎖的所有操作都是空操作。

二、自旋鎖的缺陷

自旋鎖是一種比較低級的保護(hù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或代碼片段的原始方式，這種鎖可能存在兩個(gè)問題：

(1)死鎖。試圖遞歸地獲得自旋鎖必然會引起死鎖：例如遞歸程序的持有實(shí)例在第二個(gè)實(shí)例循環(huán)，以試圖獲得相同自旋鎖時(shí)，就不會釋放此自旋鎖。所以，在遞歸程序中使用自旋鎖應(yīng)遵守下列策略：遞歸程序決不能在持有自旋鎖時(shí)調(diào)用它自己，也決不能在遞歸調(diào)用時(shí)試圖獲得相同的自旋鎖。此外如果一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)將資源鎖定，那么，即使其它申請這個(gè)資源的進(jìn)程不停地瘋狂“自旋”,也無法獲得資源，從而進(jìn)入死循環(huán)。

(2)過多占用cpu資源。如果不加限制，由于申請者一直在循環(huán)等待，因此自旋鎖在鎖定的時(shí)候，如果不成功，不會睡眠，會持續(xù)的嘗試，單cpu的時(shí)候自旋鎖會讓其它process動不了。因此，一般自旋鎖實(shí)現(xiàn)會有一個(gè)參數(shù)限定最多持續(xù)嘗試次數(shù)。超出后，自旋鎖放棄當(dāng)前time slice，等下一次機(jī)會。

由此可見，自旋鎖比較適用于鎖使用者保持鎖時(shí)間比較短的情況。正是由于自旋鎖使用者一般保持鎖時(shí)間非常短，因此選擇自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋鎖的效率遠(yuǎn)高于互斥鎖。信號量和讀寫信號量適合于保持時(shí)間較長的情況，它們會導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因此只能在進(jìn)程上下文使用，而自旋鎖適合于保持時(shí)間非常短的情況，它可以在任何上下文使用。

三、Linux環(huán)境下的自旋鎖

自旋鎖的實(shí)現(xiàn)基于共享變量。一個(gè)線程通過給共享變量設(shè)置一個(gè)值來獲取鎖，其他等待線程查詢共享變量是否為0來確定鎖現(xiàn)是否可用，然后在忙等待的循環(huán)中“自旋”直到鎖可用為止。自旋鎖的狀態(tài)值為1表示解鎖狀態(tài)，說明有1個(gè)資源可用；0或負(fù)值表示加鎖狀態(tài)，0說明可用資源數(shù)為0。Linux內(nèi)核為通用自旋鎖提供了API函數(shù)初始化、測試和設(shè)置自旋鎖。API函數(shù)功能說明如下表所示：

宏定義

功能說明

spin_lock_init(lock)

初始化自旋鎖，將自旋鎖設(shè)置為1，表示有一個(gè)資源可用。

spin_is_locked(lock)

如果自旋鎖被置為1(未鎖)，返回0，否則返回1。

spin_unlock_wait(lock)

等待直到自旋鎖解鎖(為1)，返回0；否則返回1。

spin_trylock(lock)

嘗試鎖上自旋鎖(置0)，如果原來鎖的值為1，返回1，否則返回0。

spin_lock(lock)

循環(huán)等待直到自旋鎖解鎖(置為1)，然后，將自旋鎖鎖上(置為0)。

spin_unlock(lock)

將自旋鎖解鎖(置為1)。

spin_lock_irqsave(lock, flags)

循環(huán)等待直到自旋鎖解鎖(置為1)，然后，將自旋鎖鎖上(置為0)。關(guān)中斷，將狀態(tài)寄存器值存入flags。

spin_unlock_irqrestore(lock, flags)

將自旋鎖解鎖(置為1)。開中斷，將狀態(tài)寄存器值從flags存入狀態(tài)寄存器。

spin_lock_irq(lock)

循環(huán)等待直到自旋鎖解鎖(置為1)，然后，將自旋鎖鎖上(置為0)。關(guān)中斷。

spin_unlock_irq(lock)

將自旋鎖解鎖(置為1)。開中斷。

spin_unlock_bh(lock)

將自旋鎖解鎖(置為1)。開啟底半部的執(zhí)行。

spin_lock_bh(lock)

循環(huán)等待直到自旋鎖解鎖(置為1)，然后，將自旋鎖鎖上(置為0)。阻止軟中斷的底半部的執(zhí)行。

在實(shí)際編程中，何時(shí)使用spin_lock，何時(shí)使用spin_lock_irq呢？這兩者有點(diǎn)區(qū)別。

(1)spin_lock

spin_lock 的實(shí)現(xiàn)關(guān)系為：spin_lock ->?raw_spin_lock ->?_raw_spin_lock ->?__raw_spin_lock ，而__raw_spin_lock?的實(shí)現(xiàn)為：

static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)

{

preempt_disable();

spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_);

LOCK_CONTENDED(lock, do_raw_spin_trylock, do_raw_spin_lock);

}

(2)spin_lock_irq

spin_lock_irq 的實(shí)現(xiàn)關(guān)系為：spin_lock_irq ->?raw_spin_lock_irq ->?_raw_spin_lock_irq ->?__raw_spin_lock_irq，而__raw_spin_lock_irq 的實(shí)現(xiàn)為：

static inline void __raw_spin_lock_irq(raw_spinlock_t *lock)

{

local_irq_disable();

preempt_disable();

spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_);

LOCK_CONTENDED(lock, do_raw_spin_trylock, do_raw_spin_lock);

}

由此可見，這兩者之間只有一個(gè)差別：是否調(diào)用local_irq_disable()函數(shù)， 即是否禁止本地中斷。這兩者的區(qū)別可以總結(jié)為：

在任何情況下使用spin_lock_irq都是安全的。因?yàn)樗冉贡镜刂袛?#xff0c;又禁止內(nèi)核搶占。

spin_lock比spin_lock_irq速度快，但是它并不是任何情況下都是安全的。

舉例來說明：進(jìn)程A中調(diào)用了spin_lock(&lock)然后進(jìn)入臨界區(qū)，此時(shí)來了一個(gè)中斷(interrupt)，該中斷也運(yùn)行在和進(jìn)程A相同的CPU上，并且在該中斷處理程序中恰巧也會spin_lock(&lock)試圖獲取同一個(gè)鎖。由于是在同一個(gè)CPU上被中斷，進(jìn)程A會被設(shè)置為TASK_INTERRUPT狀態(tài)，中斷處理程序無法獲得鎖，會不停的忙等，由于進(jìn)程A被設(shè)置為中斷狀態(tài)，schedule()進(jìn)程調(diào)度就無法再調(diào)度進(jìn)程A運(yùn)行，這樣就導(dǎo)致了死鎖！但是如果該中斷處理程序運(yùn)行在不同的CPU上就不會觸發(fā)死鎖。 因?yàn)樵诓煌腃PU上出現(xiàn)中斷不會導(dǎo)致進(jìn)程A的狀態(tài)被設(shè)為TASK_INTERRUPT，只是換出。當(dāng)中斷處理程序忙等被換出后，進(jìn)程A還是有機(jī)會獲得CPU，執(zhí)行并退出臨界區(qū)。所以在使用spin_lock時(shí)要明確知道該鎖不會在中斷處理程序中使用。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的自旋锁和互斥锁实例_多线程编程之自旋锁的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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