linux内核调度与spinlock的相互关系

嵌入式linux中文站关于自旋锁用法介绍的文章，已经有很多，但有些细节的地方点的还不够透，因此我们在这里将着重介绍自旋锁相关的知识。

一、自旋锁（spinlock）简介

自旋锁在同一时刻只能被最多一个内核任务持有，所以一个时刻只有一个线程允许存在于临界区中。这点可以应用在多处理机器、或运行在单处理器上的抢占式内核中需要的锁定服务。

二、信号量简介

这里也介绍下信号量的概念，因为它的用法和自旋锁有相似的地方。

Linux中的信号量是一种睡眠锁。如果有一个任务试图获得一个已被持有的信号量时，信号量会将其推入等待队列，然后让其睡眠。这时处理器获得自由去执行其它代码。当持有信号量的进程将信号量释放后，在等待队列中的一个任务将被唤醒，从而便可以获得这个信号量。

三、自旋锁和信号量对比

在很多地方自旋锁和信号量可以选择任何一个使用，但也有一些地方只能选择某一种。下面对比一些两者的用法。

表1-1自旋锁和信号量对比

应用场合

信号量or自旋锁

低开销加锁（临界区执行时间较快）

优先选择自旋锁

低开销加锁（临界区执行时间较长）

优先选择信号量

临界区可能包含引起睡眠的代码

不能选自旋锁，可以选择信号量

临界区位于非进程上下文时，此时不能睡眠

优先选择自旋锁，即使选择信号量也只能用down_trylock非阻塞的方式

四、自旋锁与linux内核进程调度关系

我们讨论下表1-1中的第3种情况（其它几种情况比较好理解），如果临界区可能包含引起睡眠的代码则不能使用自旋锁，否则可能引起死锁。

那么为什么信号量保护的代码可以睡眠而自旋锁就不能呢？

先看下自旋锁的实现方法吧，自旋锁的基本形式如下：

spin_lock(&mr_lock);

//临界区

spin_unlock(&mr_lock);

跟踪一下spin_lock(&mr_lock)的实现

#define spin_lock(lock) _spin_lock(lock)

#define _spin_lock(lock) __LOCK(lock)

#define __LOCK(lock) /

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

注意到“preempt_disable()”，这个调用的功能是“关抢占”（在spin_unlock中会重新开启抢占功能）。从中可以看出，使用自旋锁保护的区域是工作在非抢占的状态；即使获取不到锁，在“自旋”状态也是禁止抢占的。了解到这，我想咱们应该能够理解为何自旋锁保护的代码不能睡眠了。试想一下，如果在自旋锁保护的代码中间睡眠，此时发生进程调度，则可能另外一个进程会再次调用spinlock保护的这段代码。而我们现在知道了即使在获取不到锁的“自旋”状态，也是禁止抢占的，而“自旋”又是动态的，不会再睡眠了，也就是说在这个处理器上不会再有进程调度发生了，那么死锁自然就发生了。

咱们可以总结下自旋锁的特点：

● 单处理器非抢占内核下：自旋锁会在编译时被忽略；

● 单处理器抢占内核下：自旋锁仅仅当作一个设置内核抢占的开关；

● 多处理器下：此时才能完全发挥出自旋锁的作用，自旋锁在内核中主要用来防止多处理器中并发访问临界区，防止内核抢占造成的竞争。

五、linux抢占发生的时间

最后在了解下linux抢占发生的时间，抢占分为用户抢占和内核抢占。

用户抢占在以下情况下产生：

● 从系统调用返回用户空间

● 从中断处理程序返回用户空间

内核抢占会发生在：

● 当从中断处理程序返回内核空间的时候，且当时内核具有可抢占性；

● 当内核代码再一次具有可抢占性的时候。（如:spin_unlock时）

● 如果内核中的任务显式的调用schedule()

● 如果内核中的任务阻塞。