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Linux spin_lock如何实现——依赖关中断和关抢占
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发布时间:2019-02-28

本文共 1618 字,大约阅读时间需要 5 分钟。

自旋锁(Spin Lock)作为一种轻量级的互斥机制,在内核编程中发挥着重要作用。本文将从自旋锁的本身、其变形以及相关问题分析等方面展开讨论。

一、自旋锁本身及多种变形

自旋锁是一种优化了的互斥机制,通过让进程在获得锁之前不断循环检查的方式,避免了传统互斥机制对锁的等待。这种设计虽然简单,但也伴随着一些缺陷。

(1)本尊自旋锁的核心实现通过一个原子操作来保证互斥性。代码中 spin_lock(lock) 函数会让当前进程在获取锁的过程中不断循环检查,这种机制虽然轻量,但也可能导致进程被中断打断或被调度抢占。

(2)多种变形为了适应不同的场景,自旋锁被改造成了多种形式:

  • spin_lock_irqsave(lock, flags):在获取锁之前先保存中断状态。
  • spin_lock_irq(lock):禁用中断以确保互斥性。
  • spin_lock_bh(lock):禁用软中断以减少上下文切换。

同样,对于读锁和写锁也有类似的实现方式,如 read_lock_irqsaveread_lock_irqread_lock_bh 等。

二、问题分析

在实际应用中,自旋锁的实现方式存在一些问题。例如,spin_lock_irqsave 在关中断后,为什么还需要禁止抢占?这种做法是否多余?

(1)代码解读spin_lock_irqsave 函数首先通过 local_irq_save 保存中断状态,然后调用 preempt_disable 禁止进程抢占。这种双重机制看似重复,但实际上是为了确保在中断被保存后,进程不会被高优先级的任务抢占,从而保证锁的互斥性。

(2)实际意义在单处理器系统中,关中断确实可以间接阻止进程调度,但在多处理机系统中,仅靠关中断无法阻止其他处理机上的进程抢占锁。因此,额外禁用抢占机制是必要的。

三、进一步分析

关中断与禁用抢占并非完全无关。实际上,关中断会导致时钟中断被停止,从而影响进程调度的时机。然而,进程调度的时机不仅依赖时钟中断,还包括进程状态转换、时间片用尽、主动调度等多种因素。

(1)时钟中断的作用关掉中断会停止时钟周期,进而影响进程调度相关代码的执行。因此,关中断和禁用抢占结合使用,可以更好地保证锁的互斥性。

(2)进程调度机制在Linux系统中,进程调度时机主要包括:

  • 进程状态转换(如终止、睡眠)
  • 当前进程的时间片用尽
  • 主动调用调度函数
  • 中断或异常返回用户态

其中,关中断会影响中断驱动的调度,但禁用抢占机制则直接防止高优先级任务抢占CPU。

四、关中断与抢占机制的关系

关中断并不一定能阻止优先级调度。高优先级任务如果具有足够的资源,仍然可以抢占当前进程并访问临界区。因此,仅靠关中断无法完全保证互斥性。

(1)关中断的作用关中断可以屏蔽外部中断,确保当前进程在临界区执行时不会被打断。然而,这种方法并不能阻止高优先级任务通过调度机制抢占CPU。

(2)禁用抢占的必要性在临界区中如果没有主动调度调用,关中断已经足够保证互斥性。但如果存在高优先级任务抢占风险,禁用抢占机制是必要的。

五、局限性分析

尽管自旋锁及其变形方式简洁高效,但在实际应用中存在一些局限性:

(1)多处理机支持有限在多处理机环境中,仅靠关中断无法阻止其他处理机上的进程抢占锁。因此,需要结合其他机制确保互斥性。

(2)对自旋锁本身的依赖如果临界区操作可能导致进程进入封锁状态,则自旋锁的互斥机制将失效。这种情况下,传统的互斥机制更为适用。

(3)性能影响在处理延迟较低的场景中,自旋锁表现优异。但在锁持有时间较长的情况下,会增加系统的等待时间。

(4)适用范围局限自旋锁主要用于单处理机或对竞争严重的场景。对于多处理机和复杂临界区,可能需要更高级的互斥机制。

总之,自旋锁及其变形方式通过关中断和禁用抢占机制,提供了一种轻量级的互斥解决方案。虽然这种方法简单可靠,但在实际应用中也需要结合具体场景进行权衡。

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