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linux spinlock/rwlock/seqlock原理剖析（基于ARM64）

發布時間：2023/12/20 linux 31 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 linux spinlock/rwlock/seqlock原理剖析（基于ARM64）小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

背景

Kernel版本：4.14

ARM64處理器，Contex-A53，雙核

使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

吹起并發機制研究的進攻號角了！

作為第一篇文章，應該提綱挈領的介紹下并發。什么是并發，并發就是：你有兩個兒子，同時搶一個玩具玩，你一巴掌打在你大兒子手上，小兒子拿到了玩具。并發是指多個執行流訪問同一個資源，并發引起競態。

來張圖吧：

圖中每一種顏色代表一種競態情況，主要歸結為三類：

進程與進程之間：單核上的搶占，多核上的SMP；

進程與中斷之間：中斷又包含了上半部與下半部，中斷總是能打斷進程的執行流；

中斷與中斷之間：外設的中斷可以路由到不同的CPU上，它們之間也可能帶來競態；

目前內核中提供了很多機制來處理并發問題，spinlock就是其中一種。

spinlock，就是大家熟知的自旋鎖，它的特點是自旋鎖保護的區域不允許睡眠，可以用在中斷上下文中。自旋鎖獲取不到時，CPU會忙等待，并循環測試等待條件。自旋鎖一般用于保護很短的臨界區。

下文將進一步揭開神秘的面紗。

2. spinlock原理分析

2.1 spin_lock/spin_unlock

先看一下函數調用流程：

spin_lock操作中，關閉了搶占，也就是其他進程無法再來搶占當前進程了；
spin_lock函數中，關鍵邏輯需要依賴于體系結構的實現，也就是arch_spin_lock函數；
spin_unlock函數中，關鍵邏輯需要依賴于體系結構的實現，也就是arch_spin_unlock函數；

直接看ARM64中這個arch_spin_lock/arch_spin_unlock函數的實現吧：

static?inline?void?arch_spin_lock(arch_spinlock_t?*lock) {unsigned?int?tmp;arch_spinlock_t?lockval,?newval;asm?volatile(/*?Atomically?increment?the?next?ticket.?*/ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(/*?LL/SC?*/ "?prfm?pstl1strm,?%3\n" "1:?ldaxr?%w0,?%3\n" "?add?%w1,?%w0,?%w5\n" "?stxr?%w2,?%w1,?%3\n" "?cbnz?%w2,?1b\n",/*?LSE?atomics?*/ "?mov?%w2,?%w5\n" "?ldadda?%w2,?%w0,?%3\n"__nops(3))/*?Did?we?get?the?lock??*/ "?eor?%w1,?%w0,?%w0,?ror?#16\n" "?cbz?%w1,?3f\n"/**?No:?spin?on?the?owner.?Send?a?local?event?to?avoid?missing?an*?unlock?before?the?exclusive?load.*/ "?sevl\n" "2:?wfe\n" "?ldaxrh?%w2,?%4\n" "?eor?%w1,?%w2,?%w0,?lsr?#16\n" "?cbnz?%w1,?2b\n"/*?We?got?the?lock.?Critical?p?starts?here.?*/ "3:":?"=&r"?(lockval),?"=&r"?(newval),?"=&r"?(tmp),?"+Q"?(*lock):?"Q"?(lock->owner),?"I"?(1?<<?TICKET_SHIFT):?"memory"); }static?inline?void?arch_spin_unlock(arch_spinlock_t?*lock) {unsigned?long?tmp;asm?volatile(ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(/*?LL/SC?*/"?ldrh?%w1,?%0\n""?add?%w1,?%w1,?#1\n""?stlrh?%w1,?%0",/*?LSE?atomics?*/"?mov?%w1,?#1\n""?staddlh?%w1,?%0\n"__nops(1)):?"=Q"?(lock->owner),?"=&r"?(tmp)::?"memory"); }

spinlock的核心思想是基于tickets的機制：

每個鎖的數據結構arch_spinlock_t中維護兩個字段：next和owner，只有當next和owner相等時才能獲取鎖；

每個進程在獲取鎖的時候，next值會增加，當進程在釋放鎖的時候owner值會增加；

如果有多個進程在爭搶鎖的時候，看起來就像是一個排隊系統，FIFO ticket spinlock；

上邊的代碼中，核心邏輯在于asm volatile()內聯匯編中，有點迷糊嗎？把核心邏輯翻譯成C語言，類似于下邊：

asm volatile內聯匯編中，有很多獨占的操作指令，只有基于指令的獨占操作，才能保證軟件上的互斥，簡單介紹如下：

ldaxr：Load-Acquire Exclusive Register derives an address from a base register value, loads a 32-bit word or 64-bit doubleword from memory, and writes it to a register，從內存地址中讀取值到寄存器中，獨占訪問；

stxr：Store Exclusive Register stores a 32-bit or a 64-bit doubleword from a register to memory if the PE has exclusive access to the memory address，將寄存器中的值寫入到內存中，并需要返回是否獨占訪問成功；

eor：Bitwise Exclusive OR，執行獨占的按位或操作；

ldadda：Atomic add on word or doubleword in memory atomically loads a 32-bit word or 64-bit doubleword from memory, adds the value held in a register to it, and stores the result back to memory，原子的將內存中的數據進行加值處理，并將結果寫回到內存中；

此外，還需要提醒一點的是，在arch_spin_lock中，當自旋等待時，會執行WFE指令，這條指令會讓CPU處于低功耗的狀態，其他CPU可以通過SEV指令來喚醒當前CPU。
如果說了這么多，你還是沒有明白，那就再來一張圖吧：

2.2 spin_lock_irq/spin_lock_bh
自旋鎖還有另外兩種形式，那就是在持有鎖的時候，不僅僅關掉搶占，還會把本地的中斷關掉，或者把下半部關掉（本質上是把軟中斷關掉）。這種鎖用來保護臨界資源既會被進程訪問，也會被中斷訪問的情況。
看一下調用流程圖：
- 可以看到這兩個函數中，實際鎖的機制實現跟spin_lock是一樣的；
- 額外提一句，spin_lock_irq還有一種變種形式spin_lock_irqsave，該函數會將當前處理器的硬件中斷狀態保存下來；
__local_bh_disable_ip是怎么實現的呢，貌似也沒有看到關搶占？有必要前情回顧一下了，如果看過之前的文章的朋友，應該見過下邊這張圖片：
- thread_info->preempt_count值就維護了各種狀態，針對該值的加減操作，就可以進行狀態的控制；
3. rwlock讀寫鎖
- 讀寫鎖是自旋鎖的一種變種，分為讀鎖和寫鎖，有以下特點：
可以多個讀者同時進入臨界區；
讀者與寫者互斥；
寫者與寫者互斥；

先看流程分析圖：

看一下arch_read_lock/arch_read_unlock/arch_write_lock/arch_write_unlock源代碼：

知道你們不愛看匯編代碼，那么翻譯成C語言的偽代碼看看吧：

讀寫鎖數據結構arch_rwlock_t中只維護了一個字段：volatile unsigned int lock，其中bit[31]用于寫鎖的標記，bit[30:0]用于讀鎖的統計；
讀者在獲取讀鎖的時候，高位bit[31]如果為1，表明正有寫者在訪問臨界區，這時候會進入自旋的狀態，如果沒有寫者訪問，那么直接去自加rw->lock的值，從邏輯中可以看出，是支持多個讀者同時訪問的；
讀者在釋放鎖的時候，直接將rw->lock自減1即可；
寫者在獲取鎖的時候，判斷rw->lock的值是否為0，這個條件顯得更為苛刻，也就是只要有其他讀者或者寫者訪問，那么都將進入自旋，沒錯，它確實很霸道，只能自己一個人持有；
寫者在釋放鎖的時候，很簡單，直接將rw->lock值清零即可；
缺點：由于讀者的判斷條件很苛刻，假設出現了接二連三的讀者來訪問臨界區，那么rw->lock的值將一直不為0，也就是會把寫者活活的氣死，噢，是活活的餓死。

讀寫鎖當然也有類似于自旋鎖的關中斷、關底半部的形式：read_lock_irq/read_lock_bh/write_lock_irq/write_lock_bh，原理都類似，不再贅述了。

4. seqlock順序鎖

順序鎖也區分讀鎖與寫鎖，它的優點是讀者不會把寫者給餓死。

來看一下流程圖：

順序鎖的讀鎖有三種形式：

無加鎖訪問，讀者在讀臨界區之前，先讀取序列號，退出臨界區操作后再讀取序列號進行比較，如果發現不相等，說明被寫者更新內容了，需要重新再讀取臨界區，所以這種情況下可能給讀者帶來的開銷會大一些；
加鎖訪問，實際是spin_lock/spin_unlock，僅僅是接口包裝了一下而已，因此對讀和寫都是互斥的；
在形式1和形式2中動態選擇，如果有寫者在寫臨界區，讀者化身為自旋鎖，沒有寫者在寫臨界區，則化身為順序無鎖訪問；
順序鎖的寫鎖，只有一種形式，本質上是用自旋鎖來保護臨界區，然后再把序號值自加處理；
順序鎖也有一些局限的地方，比如采用讀者的形式1的話，臨界區中存在地址（指針）操作，如果寫者把地址進行了修改，那就可能造成訪問錯誤了；
說明一下流程圖中的smp_rmb/smp_wmb，這兩個函數是內存屏障操作，作用是告訴編譯器內存中的值已經改變，之前對內存的緩存（緩存到寄存器）都需要拋棄，屏障之后的內存操作需要重新從內存load，而不能使用之前寄存器緩存的值，內存屏障就像是代碼中一道不可逾越的屏障，屏障之前的load/store指令不能跑到屏障的后邊，同理，后邊的也不能跑到前邊；
順序鎖也同樣存在關中斷和關下半部的形式，原理基本都是一致的，不再啰嗦了。
最近在項目中，遇到了RCU Stall的問題，下一個topic就先來看看RCU吧，其他的并發機制都會在路上，Just keep growing and fuck everthing else，收工！
如果覺得文檔對您有幫助，那就點個在看吧，謝謝。
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總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux spinlock/rwlock/seqlock原理剖析（基于ARM64）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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