關(guān)于自旋鎖與內(nèi)核搶占的一些想法，大蝦過來指點(diǎn)下。

oceanljp

最近在看宋寶華的《設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)詳解》第二版，看到自旋鎖的部分，有些疑惑，所以來請(qǐng)教下大家。
下面是我參考一些網(wǎng)絡(luò)上的資料得出的一些想法，不知正確與否，記錄下來大家討論下：
（1） linux上的自旋鎖有三種實(shí)現(xiàn)：
          1. 在單cpu，不可搶占內(nèi)核中，自旋鎖為空操作。
          2. 在單cpu，可搶占內(nèi)核中，自旋鎖實(shí)現(xiàn)為“禁止內(nèi)核搶占”，并不實(shí)現(xiàn)“自旋”。
          3. 在多cpu，可搶占內(nèi)核中，自旋鎖實(shí)現(xiàn)為“禁止內(nèi)核搶占” + “自旋”。
（2） 關(guān)于搶占式內(nèi)核與非搶占式內(nèi)核：
          在非搶占式內(nèi)核中，如果一個(gè)進(jìn)程在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行，其只有在以下兩種情況會(huì)被切換：
          1.  其運(yùn)行完成（返回用戶空間）
          2.  主動(dòng)讓出cpu（即主動(dòng)調(diào)用schedule或內(nèi)核中的任務(wù)阻塞——這同樣也會(huì)導(dǎo)致調(diào)用schedule）

          在搶占式內(nèi)核中，如果一個(gè)進(jìn)程在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行，其只有在以下四種情況會(huì)被切換：
          1.  其運(yùn)行完成（返回用戶空間）
          2.  主動(dòng)讓出cpu（即主動(dòng)調(diào)用schedule或內(nèi)核中的任務(wù)阻塞——這同樣也會(huì)導(dǎo)致調(diào)用schedule）
          3.  當(dāng)從中斷處理程序正在執(zhí)行，且返回內(nèi)核空間之前（此時(shí)可搶占標(biāo)志premptcount須為0） 。
          4.  當(dāng)內(nèi)核代碼再一次具有可搶占性的時(shí)候，如解鎖及使能軟中斷等。

         在宋寶華的書中，有提到在使用自旋鎖時(shí)，要避免用來保護(hù)“包含引起阻塞的代碼”，因?yàn)樽枞�意味著要進(jìn)行進(jìn)程的切換。這點(diǎn)讓我很迷惑。因?yàn)樵诳蓳屨际絻?nèi)核中使用自旋鎖，是“禁止內(nèi)核搶占”的，既然“禁止內(nèi)核搶占”怎么又會(huì)發(fā)生進(jìn)程的切換呢？
         現(xiàn)在我是這么想的：禁止內(nèi)核搶占只是關(guān)閉“可搶占標(biāo)志”，而不是禁止進(jìn)程切換。顯式使用schedule或進(jìn)程阻塞（此也會(huì)導(dǎo)致調(diào)用schedule）時(shí)，還是會(huì)發(fā)生進(jìn)程調(diào)度的。

         這里補(bǔ)充一些想法：宋寶華的書上說，在使用自旋鎖保護(hù)臨界區(qū)時(shí)，如臨界區(qū)中因“包含引起阻塞代碼”而引發(fā)阻塞，從而引起進(jìn)程切換后，若另一進(jìn)程企圖獲得本自旋鎖，死鎖會(huì)發(fā)生。
         個(gè)人感覺，只有在多cpu，內(nèi)核可搶占的情況會(huì)發(fā)生死鎖。而在單cpu，內(nèi)核可搶占或不可搶占的情況，不會(huì)發(fā)生死鎖，但此時(shí)自旋鎖失效（即無法實(shí)現(xiàn)保護(hù)臨界區(qū)的功能）。這是因?yàn)槎郼pu可搶占內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了“自旋”，所以會(huì)導(dǎo)致死鎖；而單cpu可搶占或不可搶占內(nèi)核，沒有實(shí)現(xiàn)“自旋”，僅僅是“禁止內(nèi)核搶占”，因此不會(huì)發(fā)生死鎖，但是會(huì)發(fā)生無保護(hù)的重復(fù)進(jìn)入臨界區(qū)的情況（即無法實(shí)現(xiàn)保護(hù)臨界區(qū)的功能）。

以上觀點(diǎn)只是個(gè)人想法，不當(dāng)之處，還請(qǐng)各位指出，謝謝。

guocslock

阻塞當(dāng)然意味著要進(jìn)行進(jìn)程切換，當(dāng)前進(jìn)程阻塞也就是說當(dāng)前進(jìn)程去sleep了，這時(shí)候kernel會(huì)調(diào)用scheduler來選擇一個(gè)合適的進(jìn)程進(jìn)入running狀態(tài)。這個(gè)過程和禁止搶占不矛盾。
使用自旋鎖時(shí)，要避免用來保護(hù)“包含引起阻塞的代碼”，我的理解是這樣的：自旋鎖的實(shí)現(xiàn)是“搶的到就繼續(xù)，否則就自旋——空循環(huán)”，如果一個(gè)進(jìn)程長時(shí)間持有自旋鎖，將會(huì)導(dǎo)致其他爭用該自旋鎖的進(jìn)程長時(shí)間處于自旋狀態(tài)，而進(jìn)程自旋的時(shí)候其實(shí)什么都不做，白白消耗其時(shí)間片，浪費(fèi)CPU時(shí)間。所以使用自旋鎖的一個(gè)原則就是不要長時(shí)間持有它。如果在持有自旋鎖的期間進(jìn)程sleep了，那將導(dǎo)致持有該鎖的時(shí)間長度不可預(yù)期(鬼知道這個(gè)進(jìn)程什么時(shí)候會(huì)被wake up)，這顯然會(huì)違反使用自旋鎖的上述原則。

oceanljp

回復(fù) 2# guocslock

同意樓上第一個(gè)觀點(diǎn)。

第二個(gè)觀點(diǎn)，使用自旋鎖時(shí)，避免用來保護(hù)“包含引起阻塞的代碼”的主要原因，應(yīng)該是避免在阻塞并發(fā)生進(jìn)程調(diào)度后，再次進(jìn)入臨界區(qū)引起的“死鎖”或“無保護(hù)重復(fù)進(jìn)入臨界區(qū)的錯(cuò)誤”。“不長時(shí)間持有自旋鎖”應(yīng)該不是其主要原因。
而且如我在一樓所述，自旋鎖的實(shí)現(xiàn)在不同的情況下是不同的，并不都是“搶的到就繼續(xù)，否則就自旋——空循環(huán)”。應(yīng)分開討論。
在單cpu系統(tǒng)中的自旋鎖，并不具備“自旋”功能。

tuibo

單cpu 非搶占：  內(nèi)核中的執(zhí)行天然的隔絕了進(jìn)程切換。要注意 自旋鎖不能防止系統(tǒng)調(diào)用被 硬中斷或者異常搶占去。

單cpu搶占：  spin_lock只 要關(guān)搶占，否則在本cpu起不到任何 鎖的作用。 這要求臨界區(qū)盡量的短小

多cpu 搶占： 自選就意味著核間呼斥，本cpu上的進(jìn)程間互斥，由其關(guān)搶占性質(zhì)實(shí)現(xiàn) ！

  多cpu 非搶占： 自選就意味著核間呼斥就可以了 ！

guocslock

回復(fù) 3# oceanljp
怎么會(huì)發(fā)生死鎖呢？
咱們分情況來看一下：
1. 單核非搶占：此時(shí)spinlock什么都不做，如果持有鎖的進(jìn)程阻塞，內(nèi)核會(huì)通過scheduler選擇其他進(jìn)程執(zhí)行，可能會(huì)造成臨界區(qū)的沖突；
2. 單核搶占：此時(shí)spinlock只是禁止搶占，防止持有鎖的進(jìn)程被搶占而引起的臨界區(qū)訪問沖突，但是如果持有鎖的進(jìn)程阻塞，內(nèi)核會(huì)通過scheduler選擇其他進(jìn)程執(zhí)行，也可能會(huì)造成臨界區(qū)的沖突；
3. 多核非搶占：此時(shí)spinlock應(yīng)該是“多個(gè)CPU對(duì)鎖搶的到就繼續(xù)，否則就空循環(huán)”，持有鎖的進(jìn)程阻塞會(huì)會(huì)使得其他CPU爭用該鎖的時(shí)候忙等，引起系統(tǒng)性能下降；
4. 多核搶占：此時(shí)spinlock首先禁止持有鎖的進(jìn)程所在的CPU搶占，然后“多個(gè)CPU對(duì)鎖搶的到就繼續(xù)，否則就空循環(huán)”，持有鎖的進(jìn)程阻塞的話，一方面在持有鎖的CPU上可能會(huì)造成臨界區(qū)的沖突，另一方面會(huì)使得其他CPU爭用該鎖的時(shí)候忙等，造成系統(tǒng)性能下降。
所有這四種情況應(yīng)該都不會(huì)導(dǎo)致死鎖的發(fā)生。

oceanljp

死鎖是有可能發(fā)生的。
死鎖發(fā)生在多核的情況，下面來分析一下：
首先，對(duì)于多核搶占與多核非搶占的情況，在使用自旋鎖時(shí)，其情況基本是一致的。
因?yàn)樵诙嗪藫屨嫉那闆r下，使用自旋鎖會(huì)禁止內(nèi)核搶占，這樣多核搶占就相當(dāng)于多核非搶占的情況。

那下面就只分析多核非搶占的情況。
假設(shè)系統(tǒng)有A，B兩個(gè)CPU。
A上正在運(yùn)行的a進(jìn)程已獲得自旋鎖，并在臨界區(qū)運(yùn)行。
B上正在運(yùn)行的b進(jìn)程企圖獲得自旋鎖，但由于自旋鎖已被占用，于是b進(jìn)程在B CPU上“自旋”空轉(zhuǎn)。

這時(shí)，如果在A上的a進(jìn)程因程序阻塞，而被休眠。接著A會(huì)切換運(yùn)行另一進(jìn)程c。
若這個(gè)進(jìn)程c也企圖獲取自旋鎖，c進(jìn)程同樣會(huì)因?yàn)殒i已被占用，而在A上“自旋”空轉(zhuǎn)。
這時(shí)候，A上的a進(jìn)程與c進(jìn)程就形成了死鎖。a進(jìn)程需要被c進(jìn)程占用的CPU,c進(jìn)程需要被a進(jìn)程占用的鎖。

至于在單cpu內(nèi)核上不會(huì)出現(xiàn)上述情況，因?yàn)閱蝐pu上的自旋鎖實(shí)際沒有“自旋功能”。

tuibo

oh,樓上的兄弟，不得不再說一下， 自旋鎖的臨界區(qū)，禁止使用睡眠。  如果你想使用睡眠鎖請(qǐng)使用 mutex, semaphore,rt_mutex 。

自旋鎖有別于睡眠鎖，就是為了提高多核條件下的運(yùn)行效率。 自選鎖臨界區(qū)sleep，等于自殘！

tempname3

看到這種分類就煩，單核下明明就不是自旋鎖非要用同一個(gè)名字，又賦予其不同的語義。

oceanljp

回復(fù) 7# tuibo

呵呵，多謝這位兄弟指導(dǎo)，我只是看到宋寶華書上說，在自旋鎖的臨界區(qū)阻塞會(huì)發(fā)生死鎖，與我想的不大一致，拿出來和大家探討探討。

linewer

單核下應(yīng)該沒自旋鎖吧，這個(gè)應(yīng)該只在smp中的概念吧