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本篇说清楚自旋锁

读本篇之前建议先读鸿蒙内核源码分析(总目录)进程+线程篇.

概述

自旋锁顾名思义,是一把自动旋转的锁,这很像厕所里锁,进入前标记是绿色可用的,进入格子间后,手一带,里面的锁转个圈,外面标记变成了红色表示在使用,外面的只能等待.这是形象的比喻,但实际也是如此.

在多CPU核环境中，由于使用相同的内存空间，存在对同一资源进行访问的情况，所以需要互斥访问机制来保证同一时刻只有一个核进行操作,自旋锁就是这样的一种机制。

自旋锁是指当一个线程在获取锁时，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，并不断判断是否能够成功获取锁，直到获取到锁才会退出循环。因此建议保护耗时较短的操作，防止对系统整体性能有显的影响。

自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对共享资源的互斥使用问题。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个持有者。但是两者在调度机制上略有不同，对于互斥锁，如果锁已经被占用，锁申请者会被阻塞；但是自旋锁不会引起调用者阻塞，会一直循环检测自旋锁是否已经被释放。

虽然都是共享资源竞争,但自旋锁强调的是CPU核间的竞争,而互斥量强调的是任务(包括同一CPU核)之间的竞争.

自旋锁使用流程

自旋锁用于多CPU核的情况，解决的是CPU之间竞争资源的问题.使用流程很简单,三步走。

创建自旋锁：使用LOS_SpinInit初始化自旋锁，或者使用SPIN_LOCK_INIT初始化静态内存的自旋锁。

申请自旋锁：使用接口LOS_SpinLock/LOS_SpinTrylock/LOS_SpinLockSave申请指定的自旋锁，申请成功就继续往后执行锁保护的代码；申请失败在自旋锁申请中忙等，直到申请到自旋锁为止。

释放自旋锁：使用LOS_SpinUnlock/LOS_SpinUnlockRestore接口释放自旋锁。锁保护代码执行完毕后，释放对应的自旋锁，以便其他核申请自旋锁。

自旋锁长什么样?

    typedef struct Spinlock {//自旋锁结构体
        size_t      rawLock;//记录次数
    #if (LOSCFG_KERNEL_SMP_LOCKDEP == YES) // 死锁检测模块开关
        UINT32      cpuid; //持有锁的CPU
        VOID        *owner; //持有锁任务
        const CHAR  *name; //锁名称
    #endif
    } SPIN_LOCK_S;

结构体很简单,里面有个宏,用于死锁检测,默认情况下是关闭的.所以真正的被使用的变量只有rawLock一个.但C语言代码中找不到变量的变化过程,而是通过一段汇编代码来实现.看完本篇会明白也只能通过汇编代码来实现自旋锁.

几个关键C函数

#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES) //多CPU核情况下讨论自旋锁才有意义
//申请指定的自旋锁，如果无法获取锁，会一直循环等待
LITE_OS_SEC_ALW_INLINE STATIC INLINE VOID LOS_SpinLock(SPIN_LOCK_S *lock)
{
    LOS_TaskLock();//1.先告诉CPU记录有个任务上了锁
    LOCKDEP_CHECK_IN(lock);//2.检查自旋锁
    ArchSpinLock(&lock->rawLock);//3.自旋锁工作主体,一段汇编代码
    LOCKDEP_RECORD(lock);//4.记录自旋锁
}
//尝试申请指定的自旋锁，如果无法获取锁，直接返回失败，而不会一直循环等待
LITE_OS_SEC_ALW_INLINE STATIC INLINE INT32 LOS_SpinTrylock(SPIN_LOCK_S *lock)
{
    LOS_TaskLock();
    INT32 ret = ArchSpinTrylock(&lock->rawLock);
    if (ret == LOS_OK) {
        LOCKDEP_CHECK_IN(lock);
        LOCKDEP_RECORD(lock);
    } else {
        LOS_TaskUnlock();
    }
    return ret;
}

//释放指定的自旋锁
LITE_OS_SEC_ALW_INLINE STATIC INLINE VOID LOS_SpinUnlock(SPIN_LOCK_S *lock)
{
    LOCKDEP_CHECK_OUT(lock);
    ArchSpinUnlock(&lock->rawLock);//注意ArchSpinUnlock是一个汇编函数 见于 los_dispatch.s
    /* restore the scheduler flag */ //恢复调度标签
    LOS_TaskUnlock();
}
#endif

代码也是很简单,真正涉及自旋锁的部分就是这三个函数.

ArchSpinLock(&lock->rawLock);
ArchSpinTrylock(&lock->rawLock)
ArchSpinUnlock(&lock->rawLock);

可以说掌握了这三个函数就掌握了自旋锁,但这三个函数全由汇编实现.见于los_dispatch.S文件 因为系列篇已有两篇讲过汇编代码,所以很容易理解这三段代码.函数的参数此时由 r0记录,即r0保存了lock->rawLock的地址. 下面逐一说明自旋锁的汇编代码.

ArchSpinLock 汇编代码

    FUNCTION(ArchSpinLock)  @对变量上锁
        mov     r1, #1      @r1=1
    1:                      @循环的作用,因SEV是广播事件.不一定lock->rawLock的值已经改变了
        ldrex   r2, [r0]    @r0 = &lock->rawLock, 即 r2 = lock->rawLock
        cmp     r2, #0      @r2和0比较
        wfene               @不相等时,说明资源被占用,CPU核进入睡眠状态
        strexeq r2, r1, [r0]@此时CPU被重新唤醒,尝试令lock->rawLock=1,成功写入则r2=0
        cmpeq   r2, #0      @再来比较r2是否等于0,如果相等则获取到了锁
        bne     1b          @如果不相等,继续进入循环
        dmb                 @用DMB指令来隔离，以保证缓冲中的数据已经落实到RAM中
        bx      lr          @此时是一定拿到锁了,跳回调用ArchSpinLock函数

看懂了这段汇编代码就理解了自旋锁实现的真正机制,为什么一定要用汇编来实现. 因为CPU宁愿睡眠也非拿要到锁不可的, 注意这里可不是让线程睡眠,而是让CPU进入睡眠状态,能让CPU进入睡眠的只能通过汇编实现.C语言根本就写不出让CPU真正睡眠的代码.

ArchSpinTrylock 汇编代码

如果不看下面这段汇编代码,你根本不可能知道 ArchSpinTrylock 和 ArchSpinLock的真正区别是什么.

    FUNCTION(ArchSpinTrylock)   @对变量尝试上锁
        mov     r1, #1          @r1=1
        mov     r2, r0          @r2 = r0       
        ldrex   r0, [r2]        @r2 = &lock->rawLock, 即 r0 = lock->rawLock
        cmp     r0, #0          @r0和0比较
        strexeq r0, r1, [r2]    @尝试令lock->rawLock=1,成功写入则r0=0,否则 r0 =1
        dmb                     @数据存储隔离，以保证缓冲中的数据已经落实到RAM中
        bx      lr              @跳回调用ArchSpinTrylock函数

比较两段汇编代码可知,ArchSpinTrylock即没有循环也不会让CPU进入睡眠,直接返回了,而ArchSpinLock会睡了醒, 醒了睡,一直守到丈夫( lock->rawLock = 0的广播事件发生)回来才肯罢休. 笔者注释到这段代码时,那真是心潮澎湃, 心碎了老一地, 真想给 ArchSpinLock 立一个贞节牌坊 !

ArchSpinUnlock 汇编代码

    FUNCTION(ArchSpinUnlock)    @释放锁
        mov     r1, #0          @r1=0               
        dmb                     @数据存储隔离，以保证缓冲中的数据已经落实到RAM中
        str     r1, [r0]        @令lock->rawLock = 0
        dsb                     @数据同步隔离
        sev                     @给各CPU广播事件,唤醒沉睡的CPU们
        bx      lr              @跳回调用ArchSpinUnlock函数
    }

代码中涉及到几个不常用的汇编指令,一一说明:

汇编指令之 WFI / WFE / SEV

WFI(Wait for interrupt):等待中断到来指令. WFI一般用于cpuidle,WFI 指令是在处理器发生中断或类似异常之前不需要做任何事情。

在鸿蒙源码分析系列篇(总目录)线程篇中已说过,每个CPU都有自己的idle任务,CPU没事干的时候就待在里面,就一个死循环守着WFI指令,有中断来了就触发CPU起床干活. 中断分硬中断和软中断,系统调用就是通过软中断实现的,而设备类的就属于硬中断,都能触发CPU干活. 具体看下CPU空闲的时候在干嘛,代码超级简单:

LITE_OS_SEC_TEXT WEAK VOID OsIdleTask(VOID) //CPU没事干的时候待在这里
{
    while (1) {//只有一个死循环
        Wfi();//WFI指令:arm core 立即进入low-power standby state，等待中断，进入休眠模式。
    }
}

WFE(Wait for event):等待事件的到来指令.WFE 指令是在SEV指令生成事件之前不需要执行任何操作,所以用WFE的地方,后续一定会对应一个SEV的指令去唤醒它. WFE的一个典型使用场景，是用在自旋锁中,spinlock的功能，是在不同CPU core之间，保护共享资源。使用WFE的流程是：

1.开始之初资源空闲

2.CPU核1 访问资源，持有锁，获得资源

3.CPU核2 访问资源，此时资源不空闲，执行WFE指令，让core进入low-power state(睡眠)

4.CPU核1 释放资源，释放锁，释放资源，同时执行SEV指令，唤醒CPU核2

5.CPU核2 获得资源

另外说一下 以往的自旋锁，在获得不到资源时，让CPU核进入死循环，而通过插入WFE指令，则大大节省功耗.

SEV(send event):发送事件指令,SEV是一条广播指令,它会将事件发送到多处理器系统中的所有处理器,以唤醒沉睡的CPU.

SEV和WFE的实现很像设计模式的观察者模式.

汇编指令之 LDREX / STREX

LDREX用来读取内存中的值，并标记对该段内存的独占访问：

LDREX Rx, [Ry] 上面的指令意味着，读取寄存器Ry指向的4字节内存值，将其保存到Rx寄存器中，同时标记对Ry指向内存区域的独占访问。

如果执行LDREX指令的时候发现已经被标记为独占访问了，并不会对指令的执行产生影响。

而STREX在更新内存数值时，会检查该段内存是否已经被标记为独占访问，并以此来决定是否更新内存中的值：

STREX Rx, Ry, [Rz] 如果执行这条指令的时候发现已经被标记为独占访问了，则将寄存器Ry中的值更新到寄存器Rz指向的内存，并将寄存器Rx设置成0。指令执行成功后，会将独占访问标记位清除。

而如果执行这条指令的时候发现没有设置独占标记，则不会更新内存，且将寄存器Rx的值设置成1。

一旦某条STREX指令执行成功后，以后再对同一段内存尝试使用STREX指令更新的时候，会发现独占标记已经被清空了，就不能再更新了，从而实现独占访问的机制。

总结

1. 自旋锁用于解决CPU核间竞争资源的问题

2. 因为自旋锁会让CPU陷入睡眠状态,所以锁的代码不能太长,否则容易导致意外出现,也影响性能.

3. 必须由汇编代码实现,因为C语言写不出让CPU进入真正睡眠,核间竞争的代码.

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