spinlock的設計和實現

 

http://www.linuxforum.net/forum/gshowflat.php?Cat=&Board=linuxK&Number=263448&page=4&view=collapsed&sb=5&o=all&fpart=

   在Linux的核心中，spin lock用在多處理器環境中。當一個CPU訪問一個臨界資源
(critical section)的時候，需要預先取得spin lock，如果取不到的話，它就在空迴圈
等待，直到另外的CPU釋放spin lock。由於涉及到多個處理器，spin lock的效率非常重要。
因為在等待spin lock的過程，處理器只是不停的迴圈檢查，並不執行其他指令。但即使這樣，
一般來說，spn lock的開銷還是比進程調度(context switch）少得多。這就是spin lock
被廣泛應用在多處理器環境的原因。

1. spin lock的資料結構

/* include/asm-i386/spinlock.h */

typedef struct {
volatile unsigned int lock;
} spinlock_t;

spin lock的資料結構很簡單，只是一個整數變數lock， 如果lock等於1的話，表示
這個spin lock是自由的；如果lock小於等於0的話，則表示spin lock已經被其他CPU所
擷取。

2. spin lock的實現

#define spin_lock_string
"n1:t"
"lock ; decb %0nt"
"js 2fn"
".section .text.lock,"ax"n"
"2:t"
"cmpb $0,%0nt"
"rep;nopnt"
"jle 2bnt"
"jmp 1bn"
".previous"

#define spin_unlock_string
"movb $1,%0"
:"=m" (lock->lock) : : "memory"

static inline void spin_lock(spinlock_t *lock)
{
__asm__ __volatile__(
spin_lock_string
:"=m" (lock->lock) : : "memory");
}

static inline void spin_unlock(spinlock_t *lock)
{
char oldval = 1;

__asm__ __volatile__(
spin_unlock_string
);
}

如果將上面的語句轉化成純彙編的話，則是這樣：

spin_lock(lock)

1:
lock ; decb %0
js 2f

.section .text.lock, "ax"
2: cmpb $0,%0
rep;nop
jle 2b
jmp 1b
.previous

其中%0就是函數參數傳進來的lock->lock，下面詳細地解釋一下每一條
彙編指令：
* lock ; decb %0
decb將lock->lock減1，它前邊的lock指令表示在執行decb的時候，要鎖住
記憶體匯流排（memory bus），另外的CPU不能訪問記憶體，以保證decb指令的原子性。
注意，decb並不是原子操作（atomic operation），它需要將變數從記憶體讀出來，
放入寄存器（register），減1，再寫入記憶體。如果在這時候另外的CPU也進行同樣的操作的
時候，那麼decb的執行結果就會不確定，也就是說，操作的原子性遭到了破壞。

* js 2f
如果decb的結果小於0，表示無法取得spin lock，則跳到標籤為2的指令（f表示向前跳）。
如果decb的結果等於0，表示已經獲得spin lock，執行下一條指令，則跳出整段代碼，函數返回。
注意, "j2 2f"的下一條指令並不是"cmpb $0,%0"。

* .section .text.lock, "ax"
.previous
從.section到.previous的這一段代碼被用來檢測spin lock何時被釋放。linux定義了一個
專門的區(.text.lock)來存放這段代碼。它們和前邊的"js 2f"並不在一個區（section）裡，
　　　　所以說"js 2f"的下一條指令並不是"cmpb $0,%0"。
　　　　之所以定義成一個單獨的區，原因是在大多數情況下，spin lock是能擷取成功的，從.section
　　　　到.previous的這一段代碼並不經常被調用，如果把它跟別的常用指令混在一起，會浪費指令
　　　　緩衝的空間。從這裡也可以看出，linux核心的實現，要時時注意效率。

* 2: cmpb $0,%0
　　rep;nop
jle 2b
jmp 1b
檢查lock->lock，和0比較，如果小於等於0（jle 2b），則跳回到標籤2的指令，重新比較
(b表示往回跳)。如果大於0，表示spin lock已經被釋放，則往回跳回到標籤1，重新試圖
　　　　　取得spin lock。

　　* rep;nop
這是一條很有趣的指令:)，咋一看，這隻是一條空指令，但實際上這條指令可以降低CPU的運行
　　　　頻率，減低電的消耗量，但最重要的是，提高了整體的效率。因為這段指令執行太快的話，會產生
　　　　很多讀取記憶體變數的指令，另外的一個CPU可能也要寫這個記憶體變數，現在的CPU經常需要重新
　　　　排序指令來提高效率，如果讀指令太多的話，為了保證指令之間的依賴性，CPU會以犧牲流水線
　　　　執行（pipeline）所帶來的好處。從pentium 4以後，intel引進了一條pause指令，專門
　　　　用於spin lock這種情況，據intel的文檔說，加上pause可以提高25倍的效率！

spin_unlock(lock)
　　* movb $1,%0
spin_unlock的實現很簡單，只是重新將lock->lock置1就行了。

　　還有一個問題我想談的是，在linux 2.3以前，spin lock是用"lock; btrl $0,%0"來實現
加鎖的，但是後來的版本只使用了簡單的mov指令，執行時間從22個刻度降低到1個刻度。
但是最開始linus本人不同意這種做法，以為他以為由於intel晶片的指令重排序，會使斯spin lock
的實現不穩定，但後來intel裡的一個工程師出來澄清了linus的錯誤。這也許是open source的好處吧。

　　spin lock的實現看起來簡單，但是細微之處卻很複雜，如果大家需要進一步理解，請細細讀一下
kernel的mail list和intel關於pentium的文檔。