自旋锁

XWOS的自旋锁
Categories:

  2 分钟阅读  

概述

自旋锁是多核系统中为防止多个处理器同时访问公共的内存区域（称为临界区）而引入的一种锁。 当一个CPU获得自旋锁并访问临界区时，其他CPU只能 自旋 等待锁。 所谓 自旋 ，是指不断循环测试 锁 是否已经解开。

自旋锁只是为SMP的场景设计的一种锁机制。在单核(UP)系统中，并不需要自旋锁。 但为了软件接口的统一，实现了虚假的自旋锁，只是对关闭抢占、中断底半部或中断的封装。

自旋锁还伴随其他操作：内存屏障，关闭调度器的抢占，关闭中断底半部，关闭中断等。

局限性

  • 自旋锁内包含内存内存屏障操作，内存屏障会降低CPU的性能；
  • 自旋锁不区分读和写的情况。

使用自旋锁

自旋锁的初始化

自旋锁是基于原子操作指令实现的，自旋锁结构体很小，核心数据是一个CPU指令能操作的基本数据类型，因此不提供动态创建和删除方法。 用户可以通过 xwos_splk_init() 初始化自旋锁。

多锁

当使用 多个 自旋锁保护临界区时，上锁和解锁顺序必须 保持一致 ，否则会导致死锁。

锁模式

保护 线程 上下文之间的临界区

  • 临界区可嵌套，且只对 线程 上下文是安全的。
        xwos_splk_lock(&lock1);
        /* 临界区1 */
        xwos_splk_lock(&lock2);
        /* 临界区2 */
        xwos_splk_unlock(&lock2);
        /* 临界区1 */
        xwos_splk_unlock(&lock1);
  • 临界区内，只会关闭抢占。可以理解为，在线程层面，临界区内的操作是 原子的 。
  • 临界区内的数据只能被 线程 的代码访问。
  • 临界区内不能发生 抢占 ，用户不能在临界区内使用会导致 睡眠 与 阻塞 的CAPI。
  • CAPI

保护 任意 上下文之间的单一临界区

  • 临界区对 任意 上下文都是安全的。但临界区必须是单一的，嵌套时会出现以下错误：
        xwos_splk_lock_cpuirq(&lock1);
        /* 临界区1 */
        xwos_splk_lock_cpuirq(&lock2);
        /* 临界区2 */
        xwos_splk_unlock_cpuirq(&lock2);
        /* 临界区1： 错误！中断被打开 */
        xwos_splk_unlock_cpuirq(&lock1);
  • 临界区内，不但会关闭抢占，还会关闭CPU中断。可以理解为在临界区内的操作是 原子的 ，临界区内的数据能被 任意 代码访问。
  • 临界区内不会发生中断，也不能发生 调度 ，用户依然不能在临界区内使用会导致 睡眠 与 阻塞 的CAPI。
  • CAPI

保护 任意 上下文之间的 嵌套 临界区

  • 为了解决关闭中断时临界区嵌套问题，可以使用中断标志保存与恢复的CAPI。
        xwos_splk_lock_cpuirqsv(&lock1, &cpuirq1);
        /* 临界区1 */
        xwos_splk_lock_cpuirqsv(&lock2, &cpuirq2);
        /* 临界区2 */
        xwos_splk_unlock_cpuirqrs(&loc2, cpuirq2); /* 退出临界区2时中断标志还是为关闭 */
        /* 临界区1：不会出现中断被打开的错误 */
        xwos_splk_unlock_cpuirqrs(&loc1, cpuirq1);
  • 临界区内，不但会关闭抢占，还会关闭CPU中断。可以理解为在临界区内的操作是 原子的 ，临界区内的数据能被 任意 代码访问。
  • 临界区内不会发生中断，也不能发生 调度 ，用户依然不能在临界区内使用会导致 睡眠 与 阻塞 的CAPI。
  • CAPI

保护 线程 和 指定中断 上下文之间的临界区

  • 临界区对 线程 、 指定中断 是安全的。但临界区必须是单一的。
        xwos_splk_lock_irqs(&lock, irq_array, num);
        /* 临界区 */
        xwos_splk_unlock_irqs(&lock, irq_array, num);
  • 临界区内，只关闭抢占和指定的中断。可以理解为在线程和指定的中断函数层面，临界区内的操作是 原子的 ， 临界区内的数据只能被 线程 和 指定的外设中断 上下文访问。
  • 临界区内不会发生指定的中断，也不会发生 调度 ，但用户依然不能在临界区内使用会导致 睡眠 与 阻塞 的CAPI。
  • CAPI

保护 线程 和 指定中断 上下文之间的 嵌套 临界区

  • 临界区对 线程 、 指定中断 是安全的。临界区可以嵌套。
        xwos_splk_lock_irqssv(&lock1, irq_array, flag1_array, num);
        /* 临界区1 */
        xwos_splk_lock_irqssv(&lock2, irq_array, flag2_array, num);
        /* 临界区2 */
        xwos_splk_unlock_irqsrs(&lock2, irq_array, flag2_array, num);
        /* 临界区1 */
        xwos_splk_unlock_irqsrs(&lock1, irq_array, flag1_array, num);
  • 临界区内，只关闭抢占和指定的中断。可以理解为在线程和指定的中断函数层面，
  • 临界区内的操作是 原子的 ，临界区内的数据只能被 线程 和 指定的外设中断 上下文访问。
  • 临界区内不会发生指定的中断，也不会发生 调度 ，但用户依然不能在临界区内使用会导致 睡眠 与 阻塞 的CAPI。
  • CAPI

保护 线程 和 中断底半部 上下文之间的临界区

  • 临界区对 线程 、 中断底半部 是安全的。临界区可嵌套。
        xwos_splk_lock_bh(&lock1);
        /* 临界区1 */
        xwos_splk_lock_bh(&lock2);
        /* 临界区2 */
        xwos_splk_unlock_bh(&lock2);
        /* 临界区1 */
        xwos_splk_unlock_bh(&lock1);
  • 临界区内，只关闭抢占和中断底半部。可以理解为在线程和中断底半部层面，临界区内的操作是 原子的 ， 临界区内的数据只能被 线程 和 中断底半部 上下文访问。
  • 临界区内不会发生 调度 ，但用户依然不能在临界区内使用会导致 睡眠 与 阻塞 的CAPI。
  • CAPI

CAPI参考

最后修改 July 15, 2024: chore: :tade: 创建玄武操作系统网站 (3cdce99)