分析Linux中Spinlock在ARM及X86平台上的实现

　　本文主要以2.6.22.6内核分析Linux中spinlock在ARM及X86平台上的实现（不同版本的内核实现形式会有一些差异，但原理大致相同）。此处默认大家已经熟悉了spinlock的使用，重点解释容易引起迷惑的体系结构相关的实现部分。

　　一、spin_lock(lock)的实现

　　/***include/linux/spinlock.h中***/

　　#if defined(CONFIG_SMP) || defined(CONFIG_DEBUG_SPINLOCK)

　　//如果配置了SMP或配置自旋锁调试功能

　　# include linux/spinlock_api_smp.h>

　　#else //如果是单处理器且不配置自旋锁调试功能

　　# include linux/spinlock_api_up.h>

　　#endif

　　……

　　#define spin_lock(lock) _spin_lock(lock)

　　1、如果是单处理器

　　/****include/linux/spinlock_api_up.h****/

　　#define _spin_lock(lock) __LOCK(lock)

　　#define __LOCK(lock) \

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

　　（1）preempt_disable()：禁止抢占

　　（2）__acquire(lock)：在include/linux/compiler.h中有定义

　　#ifdef __CHECKER__

　　……

　　# define __acquire(x) __context__(x,1)

　　# define __release(x) __context__(x,-1)

　　#else

　　……

　　# define __acquires(x)

　　# define __releases(x)

　　这是一对用于sparse对代码检测的相互关联的函数定义，第一句表示要增加变量x的计数，增加量为1，第二句则正好相反，这个是用来函数编译的过程中。如果在代码中出现了不平衡的状况，那么在Sparse的检测中就会报警。如果要使用Sparse检测功能就需要安装sparse工具（参考相关安装方法），然后编译内核

　　#make zImage C=1 (C=1，只检测新编译的文件，C=2是查所有文件)

　　Sparse会定义__CHECKER__，如果你没有使用sparse工具，__acquire(lock)则定义为空

　　（3）(void)(lock)：通过插入一个变量本身的求值表达式，使编译器不再报警，如：“variable 'lock' is defined but never used”。这种求值不会影响运行时的速度。

　　2、如果配置了SMP

　　/****include/linux/spinlock_api_smp.h中****/

　　void __lockfunc _spin_lock(spinlock_t *lock) __acquires(lock);

　　/***kernel/spinlock.c***/

　　void __lockfunc _spin_lock(spinlock_t *lock)

　　{

　　preempt_disable();

　　//关闭抢占

　　spin_acquire(lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_);

　　//自旋锁调试用，在没有定义自旋锁调试的时候是空函数

　　_raw_spin_lock(lock);

　　}

　　/***include/linux/spinlock.h***/

　　#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK

　　extern void _raw_spin_lock(spinlock_t *lock);//在lib/spinlock_debug.c中实现

　　#else //smp情况

　　# define _raw_spin_lock(lock) __raw_spin_lock((lock)->raw_lock)

　　3、__raw_spin_lock在ARM处理器上的实现

　　/******include/asm-arm/spinlock_types.h***/

　　typedef struct {

　　volatile unsigned int lock;

　　} raw_spinlock_t;

　　#define __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED { 0 }

　　/******include/asm-arm/spinlock.h***/

　　#if __LINUX_ARM_ARCH__ 6

　　#error SMP not supported on pre-ARMv6 CPUs //ARMv6后，才有多核ARM处理器

　　#endif

　　……

　　static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)

　　{

　　unsigned long tmp;

　　__asm__ __volatile__(

　　"1: ldrex %0, [%1]"

　　//取lock->lock放在 tmp里，并且设置lock->lock这个内存地址为独占访问

　　" teq %0, #0"

　　//测试lock_lock是否为0，影响标志位z

　　#ifdef CONFIG_CPU_32v6K

　　" wfene"

　　#endif

　　" strexeq %0, %2, [%1]"

　　//如果lock_lock是0，并且是独占访问这个内存，就向lock->lock里写入1，并向tmp返回0，同时清除独占标记

　　" teqeq %0, #0"

　　//如果lock_lock是0，并且strexeq返回了0，表示加锁成功，返回

　　" bne 1b"

　　//如果上面的条件(1：lock->lock里不为0，2：strexeq失败)有一个符合，就在原地打转

　　: "=r" (tmp) //%0：输出放在tmp里，可以是任意寄存器

　　: "r" (lock->lock), "r" (1)

　　//%1：取lock->lock放在任意寄存器，%2：任意寄存器放入1

　　: "cc"); //状态寄存器可能会改变

　　smp_mb();

　　}

　　上述代码关键在于LDREX和STREX指令的应用。DREX和STREX指令是在V6以后才出现的，代替了V6以前的swp指令。可以让bus监控LDREX和STREX指令之间有无其它CPU和DMA来存取过这个地址，若有的话STREX指令的第一个寄存器里设置为1（动作失败），若没有，指令的第一个寄存器里设置为0（动作成功）。

　　不仅是自旋锁用到LDREX和STREX指令，信号量的实现也是利用LDREX和STREX指令来实现的。

　　4、__raw_spin_lock在X86处理器上的实现

　　/******include/asm-i386/spinlock_types.h***/

　　typedef struct {

　　unsigned int slock;

} raw