ARM 架构下 spin_lock 实现

阅读该文章前，需要对原子指令有所了解，推荐阅读 聊一聊原子操作和弱内存序

1、概念

内核当发生访问资源冲突的时候，可以有两种锁的解决方案选择：

• 一个是原地等待
• 一个是挂起当前进程，调度其他进程执行（睡眠）

  Spinlock 是内核中提供的一种比较常见的锁机制，自旋锁是“原地等待”的方式解决资源冲突的，即，一个线程获取了一个自旋锁后，另外一个线程期望获取该自旋锁，获取不到，只能够原地“打转”（忙等待）。由于自旋锁的这个忙等待的特性，注定了它使用场景上的限制 —— 自旋锁不应该被长时间的持有（消耗 CPU 资源）。

2、源码实现

2.1 内联汇编

asm(code : output operand list : input operand list : clobber list);

这种嵌入汇编的形式一共分为四个部分：

• code：汇编的操作代码，一条或者多条指令，如果是多条指令，需要在指令间使用 \n\t 隔开。与通用的汇编代码有一些不同：因为支持 C 变量的操作，所以在操作由第二、三部分提供的操作数时，使用 %n 来替代操作数；
• output operand list：表示输出的操作数，通常是一个或者多个 C 函数中的变量；
• input operand list：表示输入的操作数，通常是一个或者多个 C 函数中的变量；
• clobber list：告诉编译器这段汇编代码会修改哪些寄存器或状态

2.2 ARM32 上 spinlock 实现

arch\arm\include\asm\spinlock.h

#define TICKET_SHIFT	16

typedef struct {
	union {
		u32 slock;
		struct __raw_tickets {
#ifdef __ARMEB__
			u16 next;
			u16 owner;
#else
			u16 owner;
			u16 next;
#endif
		} tickets;
	};
} arch_spinlock_t;

/*
 * ARMv6 ticket-based spin-locking.
 *
 * A memory barrier is required after we get a lock, and before we
 * release it, because V6 CPUs are assumed to have weakly ordered
 * memory.
 */

static inline void arch_spin_lock(arch_spinlock_t *lock)
{
	unsigned long tmp;
	u32 newval;
	arch_spinlock_t lockval;

	prefetchw(&lock->slock);
	__asm__ __volatile__(
"1:	ldrex	%0, [%3]\n"
"	add	%1, %0, %4\n"
"	strex	%2, %1, [%3]\n"
"	teq	%2, #0\n"
"	bne	1b"
	: "=&r" (lockval), "=&r" (newval), "=&r" (tmp)
	: "r" (&lock->slock), "I" (1 << TICKET_SHIFT)
	: "cc");

	while (lockval.tickets.next != lockval.tickets.owner) {
		wfe();
		lockval.tickets.owner = READ_ONCE(lock->tickets.owner);
	}

	smp_mb();
}

static inline void arch_spin_unlock(arch_spinlock_t *lock)
{
	smp_mb();
	lock->tickets.owner++;
	dsb_sev();
}

在内联汇编中，%0、%1、%2… 是自动编号的操作数，它们在 “输出” 和 “输入” 约束中按顺序出现。例如：%0 代指 lockval； %1 代指 newval； %4 代指 (1 << TICKET_SHIFT)…

注：

1. arch_spinlock_t 是一个联合体，其内部仅包含一个 slock 成员。因此，对 lock->slock 的访问实质上就是对整个 arch_spinlock_t 结构的访问
2. 在 ARM32 架构下，该自旋锁的实现本质上是一个 基于队列的排队锁（ticket lock）。每次调用 arch_spin_lock() 获取锁时，都会对锁的 next 字段执行原子加一操作。next 的值相当于调用者在等待队列中排到的“号码”
3. 解锁操作（通常由 arch_spin_unlock() 实现）会对 owner 字段执行原子加一，使得下一个排队等待的线程可以获取锁；
4. 上面所说的 “原子加一” 实际上是通过原子指令 ldrex、strex实现的

简单理解就是：

• 首先，从传入的 arch_spinlock_t 结构中读取当前的锁值，拷贝一份，并对其 next 字段执行原子加一操作。这一步为当前调用者分配一个排队编号；
• 随后，将更新后的锁值写回原始的 arch_spinlock_t 对象中，确保其他等待者可以看到该次编号递增结果；
• 进入等待阶段：当前线程通过轮询方式不断读取锁的 owner 字段，直到其值等于当前线程获得的 next 编号，表明轮到该线程持有锁，从而退出等待循环。