08-自旋锁的使用
7.4.1 自旋锁的使用
自旋锁（spin lock）是一种典型的对临界资源进行互斥访问的手段，其名称来源于它的工作方式。为了获得一个自旋锁，在某CPU上运行的代码需先执行一个原子操作，该操作测试并设置（test-and-set）某个内存变量，由于它是原子操作，所以在该操作完成之前其他执行单元不可能访问这个内存变量。如果测试结果表明锁已经空闲，则程序获得这个自旋锁并继续执行；如果测试结果表明锁仍被占用，程序将在一个小的循环内重复这个“测试并设置”操作，即进行所谓的“自旋”，通俗地说就是“在原地打转”。当自旋锁的持有者通过重置该变量释放这个自旋锁后，某个等待的“测试并设置”操作向其调用者报告锁已释放。
理解自旋锁最简单的方法是把它作为一个变量看待，该变量把一个临界区或者标记为“我当前在运行，请稍等一会”或者标记为“我当前不在运行，可以被使用”。如果A执行单元首先进入例程，它将持有自旋锁；当B执行单元试图进入同一个例程时，将获知自旋锁已被持有，需等到A执行单元释放后才能进入。
Linux中与自旋锁相关的操作主要有以下4种。
1．定义自旋锁
spinlock_t lock;
2．初始化自旋锁
spin_lock_init(lock)
该宏用于动态初始化自旋锁lock。
3．获得自旋锁
spin_lock(lock)
该宏用于获得自旋锁lock，如果能够立即获得锁，它就马上返回，否则，它将自旋在那里，直到该自旋锁的保持者释放。
spin_trylock(lock)
该宏尝试获得自旋锁lock，如果能立即获得锁，它获得锁并返回真，否则立即返回假，实际上不再“在原地打转”。
4．释放自旋锁
spin_unlock(lock)
该宏释放自旋锁lock，它与spin_trylock或spin_lock配对使用。
自旋锁一般这样被使用：
/ 定义一个自旋锁/
spinlock_t lock;
spin_lock_init(&lock);
spin_lock (&lock) ; / 获取自旋锁，保护临界区 /
. . ./ 临界区/
spin_unlock (&lock) ; / 解锁/
自旋锁主要针对SMP或单CPU但内核可抢占的情况，对于单CPU和内核不支持抢占的系统，自旋锁退化为空操作。在单CPU和内核可抢占的系统中，自旋锁持有期间内核的抢占将被禁止。由于内核可抢占的单CPU系统的行为实际很类似于SMP系统，因此，在这样的单CPU系统中使用自旋锁仍十分必要。
尽管用了自旋锁可以保证临界区不受别的CPU和本CPU内的抢占进程打扰，但是得到锁的代码路径在执行临界区的时候，还可能受到中断和底半部（BH，稍后的章节会介绍）的影响。为了防止这种影响，就需要用到自旋锁的衍生。spin_lock()/spin_unlock()是自旋锁机制的基础，它们和关中断local_irq_disable()/开中断local_irq_enable()、关底半部local_bh_disable()/开底半部local_bh_enable()、关中断并保存状态字local_irq_save()/开中断并恢复状态local_irq_restore()结合就形成了整套自旋锁机制，关系如下：
spin_lock_irq() = spin_lock() + local_irq_disable()
spin_unlock_irq() = spin_unlock() + local_irq_enable()
spin_lock_irqsave() = spin_lock() + local_irq_save()
spin_unlock_irqrestore() = spin_unlock() + local_irq_restore()
spin_lock_bh() = spin_lock() + local_bh_disable()
spin_unlock_bh() = spin_unlock() + local_bh_enable()
spin_lock_irq()、spin_lock_irqsave()、spin_lock_bh()类似函数会为自旋锁的使用系好“安全带”以避免突入其来的中断驶入对系统造成的伤害。
驱动工程师应谨慎使用自旋锁，而且在使用中还要特别注意如下几个问题。
（1）自旋锁实际上是忙等锁，当锁不可用时，CPU一直循环执行“测试并设置”该锁直到可用而取得该锁，CPU在等待自旋锁时不做任何有用的工作，仅仅是等待。因此，只有在占用锁的时间极短的情况下，使用自旋锁才是合理的。当临界区很大，或有共享设备的时候，需要较长时间占用锁，使用自旋锁会降低系统的性能。
（2）自旋锁可能导致系统死锁。引发这个问题最常见的情况是递归使用一个自旋锁，即如果一个已经拥有某个自旋锁的CPU想第二次获得这个自旋锁，则该CPU将死锁。
（3）自旋锁锁定期间不能调用可能引起进程调度的函数。如果进程获得自旋锁之后再阻塞，如调用copy_from_user()、copy_to_user()、kmalloc()和msleep()等函数，则可能导致内核的崩溃。
代码清单7.2给出了自旋锁的使用例子，它被用于实现使得设备只能被最多1个进程打开，等同于代码清单7.1。
代码清单7.2 使用自旋锁实现设备只能被一个进程打开
1 int xxx_count = 0;/定义文件打开次数计数/
2
3 static int xxx_open(struct inode inode, struct file filp)
4 {
5 ...
6 spinlock(&xxx_lock);
7 if (xxx_count) { /已经打开/
8 spin_unlock(&xxx_lock);
9 return - EBUSY;
10 }
11 xxx_count++;/增加使用计数/
12 spin_unlock(&xxx_lock);
13 ...
14 return 0; / 成功 /
15 }
16
17 static int xxx_release(struct inode inode, struct file filp)
18 {
19 ...
20 spinlock(&xxx_lock);
21 xxx_count--; /减少使用计数/
22 spin_unlock(&xxx_lock);
23
24 return 0;
25 }