自旋锁的原理及使用

自旋锁的使用场景

当多个执行单元同时、并行 地执行，并且并发的执行单元对共享资源进行访问，则会导致竞态。这些执行单元多为多处理器下的不同核下的进程或中断，或者单处理器下允许内核抢占的两个不同进程或中断。要避免竞态的产生，则需要对共享资源的代码段互斥访问，这一互斥的操作则有自旋锁来完成。

自旋锁的实现原理

linux内核提供了位和整形变量的原子操作函数，这些函数的实现也是以来cpu的原子操作，与cpu底层架构有关。就arm处理器而言，底层的实现细节主要通过汇编指令ldrex和strex来完成。原子操作可以保证对位和整形数据的操作是排他性的，所以为临界区代码的互斥访问奠定了基础。自旋锁就是通过执行一个原子操作，测试并设置某个内存变量，由于它是原子操作，所以对该变量的访问是排他性的，如何测试到锁为空闲，则获取该自旋锁，否则重复执行该原子操作，直至该锁可用为止。

自旋锁的使用方法

假设在一个单处理内核可抢占的进程中，该进程获得了一个自旋锁，但是突然产生了中断，并且在中断处理函数中唤醒了比当前进程优先级更高的进程，可想而知，此时会产生一个进程调度，将当前进程切换为优先级高的进程，倘若这个新的进程再次申请此自旋锁，则会因为申请不到而导致cpu一直执行那个原子操作，这就产生了死锁。所以，应该避免该情况的产生，在使用自旋锁的时候禁止进程的切换，即禁止进入中断，因为中断对于系统来说十分重要，所以自旋锁临界区的操作应该尽可能短。自旋锁获取和释放函数为spin_lock、spin_unlock，若在获取锁的情况下同时禁止中断，则可使用spin_lock_irp、spin_unlock_irq。另外，还有一些其他会产生进程调度的函数，比如copy_from_user()、copy_to_user()、kmalloc()、msleep等会产生阻塞的函数，都不应该在自旋锁的临界区使用。

其他互斥操作

信号量：信号量用在pv操作中比较常见，用于进度调度中的同步互斥问题，解决进程间的逻辑依赖关系，比如生产者-消费者问题。

互斥体：其与自旋锁类似，但是其临界区开销可以很大。互斥体的临界区开销是比较大的，其允许进程阻塞。从严格意义上说，互斥体和自旋锁属于不同层次的互斥手段，前者的实现依赖于后者。从互斥本身的实现上，为了保证互斥体结构存取的原子性，需要自旋锁来互斥。所以自旋锁属于更底层。