spinlock與linux內(nèi)核調(diào)度的關(guān)系

作者：劉洪濤，華清遠(yuǎn)見嵌入式培訓(xùn)中心高級講師，ARM公司授權(quán)ATC講師。

關(guān)于自旋鎖用法介紹的文章，已經(jīng)有很多，但有些細(xì)節(jié)的地方點(diǎn)的還不夠透。我這里就把我個(gè)人認(rèn)為大家容易有疑問的地方拿出來討論一下。

一、自旋鎖（spinlock）簡介

自旋鎖在同一時(shí)刻只能被最多一個(gè)內(nèi)核任務(wù)持有，所以一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)線程允許存在于臨界區(qū)中。這點(diǎn)可以應(yīng)用在多處理機(jī)器、或運(yùn)行在單處理器上的搶占式內(nèi)核中需要的鎖定服務(wù)。

二、信號量簡介

這里也介紹下信號量的概念，因?yàn)樗挠梅ê妥孕i有相似的地方。

Linux中的信號量是一種睡眠鎖。如果有一個(gè)任務(wù)試圖獲得一個(gè)已被持有的信號量時(shí)，信號量會將其推入等待隊(duì)列，然后讓其睡眠。這時(shí)處理器獲得自由去執(zhí)行其它代碼。當(dāng)持有信號量的進(jìn)程將信號量釋放后，在等待隊(duì)列中的一個(gè)任務(wù)將被喚醒，從而便可以獲得這個(gè)信號量。

三、自旋鎖和信號量對比

在很多地方自旋鎖和信號量可以選擇任何一個(gè)使用，但也有一些地方只能選擇某一種。下面對比一些兩者的用法。

表1-1自旋鎖和信號量對比

四、自旋鎖與linux內(nèi)核進(jìn)程調(diào)度關(guān)系

我們討論下表1-1中的第3種情況（其它幾種情況比較好理解），如果臨界區(qū)可能包含引起睡眠的代碼則不能使用自旋鎖，否則可能引起死鎖。

那么為什么信號量保護(hù)的代碼可以睡眠而自旋鎖就不能呢？

先看下自旋鎖的實(shí)現(xiàn)方法吧，自旋鎖的基本形式如下：

spin_lock(&mr_lock);

//臨界區(qū)

spin_unlock(&mr_lock);

跟蹤一下spin_lock(&mr_lock)的實(shí)現(xiàn)

#define spin_lock(lock) _spin_lock(lock)

#define _spin_lock(lock) __LOCK(lock)

#define __LOCK(lock)

do { preempt_disable(); __acquire(lock); (void)(lock); } while (0)

注意到“preempt_disable()”，這個(gè)調(diào)用的功能是“關(guān)搶占”（在spin_unlock中會重新開啟搶占功能）。從中可以看出，使用自旋鎖保護(hù)的區(qū)域是工作在非搶占的狀態(tài)；即使獲取不到鎖，在“自旋”狀態(tài)也是禁止搶占的。了解到這，我想咱們應(yīng)該能夠理解為何自旋鎖保護(hù)的代碼不能睡眠了。試想一下，如果在自旋鎖保護(hù)的代碼中間睡眠，此時(shí)發(fā)生進(jìn)程調(diào)度，則可能另外一個(gè)進(jìn)程會再次調(diào)用spinlock保護(hù)的這段代碼。而我們現(xiàn)在知道了即使在獲取不到鎖的“自旋”狀態(tài)，也是禁止搶占的，而“自旋”又是動(dòng)態(tài)的，不會再睡眠了，也就是說在這個(gè)處理器上不會再有進(jìn)程調(diào)度發(fā)生了，那么死鎖自然就發(fā)生了。

咱們可以總結(jié)下自旋鎖的特點(diǎn)：

● 單處理器非搶占內(nèi)核下：自旋鎖會在編譯時(shí)被忽略；

● 單處理器搶占內(nèi)核下：自旋鎖僅僅當(dāng)作一個(gè)設(shè)置內(nèi)核搶占的開關(guān)；

● 多處理器下：此時(shí)才能完全發(fā)揮出自旋鎖的作用，自旋鎖在內(nèi)核中主要用來防止多處理器中并發(fā)訪問臨界區(qū)，防止內(nèi)核搶占造成的競爭。

五、linux搶占發(fā)生的時(shí)間

最后在了解下linux搶占發(fā)生的時(shí)間，搶占分為用戶搶占和內(nèi)核搶占。

用戶搶占在以下情況下產(chǎn)生：

● 從系統(tǒng)調(diào)用返回用戶空間

● 從中斷處理程序返回用戶空間

內(nèi)核搶占會發(fā)生在：

● 當(dāng)從中斷處理程序返回內(nèi)核空間的時(shí)候，且當(dāng)時(shí)內(nèi)核具有可搶占性；

● 當(dāng)內(nèi)核代碼再一次具有可搶占性的時(shí)候。（如:spin_unlock時(shí)）

● 如果內(nèi)核中的任務(wù)顯式的調(diào)用schedule()

● 如果內(nèi)核中的任務(wù)阻塞。

基本的進(jìn)程調(diào)度就是發(fā)生在時(shí)鐘中斷后，并且發(fā)現(xiàn)進(jìn)程的時(shí)間片已經(jīng)使用完了，則發(fā)生進(jìn)程搶占。通常我們會利用中斷處理程序返回內(nèi)核空間的時(shí)候可以進(jìn)行內(nèi)核搶占這個(gè)特性來提高一些I/O操作的實(shí)時(shí)性，如：當(dāng)I/O事件發(fā)生的是時(shí)候，對應(yīng)的中斷處理程序被激活，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)有進(jìn)程在等待這個(gè)I/O事件的時(shí)候，它會激活等待進(jìn)程，并且設(shè)置當(dāng)前正在執(zhí)行進(jìn)程的need_resched標(biāo)志，這樣在中斷處理程序返回的時(shí)候，調(diào)度程序被激活，原來在等待I/O事件的進(jìn)程（很可能）獲得執(zhí)行權(quán)，從而保證了對I/O事件的相對快速響應(yīng)（毫秒級）?？梢钥闯?，在I/O事件發(fā)生的時(shí)候，I/O事件的處理進(jìn)程會搶占當(dāng)前進(jìn)程，系統(tǒng)的響應(yīng)速度與調(diào)度時(shí)間片的長度無關(guān)。

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