吹起并发机制研究的进攻号角了!
作为第一篇文章,应该提纲挈领的介绍下并发。什么是并发,并发就是:你有两个儿子,同时抢一个玩具玩,你一巴掌打在你大儿子手上,小儿子拿到了玩具。并发是指多个执行流访问同一个资源,并发引起竞态。
来张图吧:
图中每一种颜色代表一种竞态情况,主要归结为三类:
目前内核中提供了很多机制来处理并发问题,spinlock就是其中一种。
spinlock,就是大家熟知的自旋锁,它的特点是自旋锁保护的区域不允许睡眠,可以用在中断上下文中。自旋锁获取不到时,CPU会忙等待,并循环测试等待条件。自旋锁一般用于保护很短的临界区。
资料直通车:Linux内核源码技术学习路线+视频教程内核源码
先看一下函数调用流程:
直接看ARM64中这个arch_spin_lock/arch_spin_unlock函数的实现吧:
static inline void arch_spin_lock(arch_spinlock_t *lock)
{
unsigned int tmp;
arch_spinlock_t lockval, newval;
asm volatile(
/* Atomically increment the next ticket. */
ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(
/* LL/SC */
" prfm pstl1strm, %3\n"
"1: ldaxr %w0, %3\n"
" add %w1, %w0, %w5\n"
" stxr %w2, %w1, %3\n"
" cbnz %w2, 1b\n",
/* LSE atomics */
" mov %w2, %w5\n"
" ldadda %w2, %w0, %3\n"
__nops(3)
)
/* Did we get the lock? */
" eor %w1, %w0, %w0, ror #16\n"
" cbz %w1, 3f\n"
/*
* No: spin on the owner. Send a local event to avoid missing an
* unlock before the exclusive load.
*/
" sevl\n"
"2: wfe\n"
" ldaxrh %w2, %4\n"
" eor %w1, %w2, %w0, lsr #16\n"
" cbnz %w1, 2b\n"
/* We got the lock. Critical section starts here. */
"3:"
: "=&r" (lockval), "=&r" (newval), "=&r" (tmp), "+Q" (*lock)
: "Q" (lock->owner), "I" (1 << TICKET_SHIFT)
: "memory");
}
static inline void arch_spin_unlock(arch_spinlock_t *lock)
{
unsigned long tmp;
asm volatile(ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(
/* LL/SC */
" ldrh %w1, %0\n"
" add %w1, %w1, #1\n"
" stlrh %w1, %0",
/* LSE atomics */
" mov %w1, #1\n"
" staddlh %w1, %0\n"
__nops(1))
: "=Q" (lock->owner), "=&r" (tmp)
:
: "memory");
}
spinlock的核心思想是基于tickets的机制:
每个锁的数据结构arch_spinlock_t中维护两个字段:next和owner,只有当next和owner相等时才能获取锁;
每个进程在获取锁的时候,next值会增加,当进程在释放锁的时候owner值会增加;
如果有多个进程在争抢锁的时候,看起来就像是一个排队系统,FIFO ticket spinlock;
上边的代码中,核心逻辑在于asm volatile()内联汇编中,有点迷糊吗?把核心逻辑翻译成C语言,类似于下边:
如果说了这么多,你还是没有明白,那就再来一张图吧:
自旋锁还有另外两种形式,那就是在持有锁的时候,不仅仅关掉抢占,还会把本地的中断关掉,或者把下半部关掉(本质上是把软中断关掉)。这种锁用来保护临界资源既会被进程访问,也会被中断访问的情况。
看一下调用流程图:
__local_bh_disable_ip是怎么实现的呢,貌似也没有看到关抢占?有必要前情回顾一下了,如果看过之前的文章的朋友,应该见过下边这张图片:
先看流程分析图:
看一下arch_read_lock/arch_read_unlock/arch_write_lock/arch_write_unlock源代码:
static inline void arch_read_lock(arch_rwlock_t *rw)
{
unsigned int tmp, tmp2;
asm volatile(
" sevl\n"
ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(
/* LL/SC */
"1: wfe\n"
"2: ldaxr %w0, %2\n"
" add %w0, %w0, #1\n"
" tbnz %w0, #31, 1b\n"
" stxr %w1, %w0, %2\n"
" cbnz %w1, 2b\n"
__nops(1),
/* LSE atomics */
"1: wfe\n"
"2: ldxr %w0, %2\n"
" adds %w1, %w0, #1\n"
" tbnz %w1, #31, 1b\n"
" casa %w0, %w1, %2\n"
" sbc %w0, %w1, %w0\n"
" cbnz %w0, 2b")
: "=&r" (tmp), "=&r" (tmp2), "+Q" (rw->lock)
:
: "cc", "memory");
}
static inline void arch_read_unlock(arch_rwlock_t *rw)
{
unsigned int tmp, tmp2;
asm volatile(ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(
/* LL/SC */
"1: ldxr %w0, %2\n"
" sub %w0, %w0, #1\n"
" stlxr %w1, %w0, %2\n"
" cbnz %w1, 1b",
/* LSE atomics */
" movn %w0, #0\n"
" staddl %w0, %2\n"
__nops(2))
: "=&r" (tmp), "=&r" (tmp2), "+Q" (rw->lock)
:
: "memory");
}
static inline void arch_write_lock(arch_rwlock_t *rw)
{
unsigned int tmp;
asm volatile(ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(
/* LL/SC */
" sevl\n"
"1: wfe\n"
"2: ldaxr %w0, %1\n"
" cbnz %w0, 1b\n"
" stxr %w0, %w2, %1\n"
" cbnz %w0, 2b\n"
__nops(1),
/* LSE atomics */
"1: mov %w0, wzr\n"
"2: casa %w0, %w2, %1\n"
" cbz %w0, 3f\n"
" ldxr %w0, %1\n"
" cbz %w0, 2b\n"
" wfe\n"
" b 1b\n"
"3:")
: "=&r" (tmp), "+Q" (rw->lock)
: "r" (0x80000000)
: "memory");
}
static inline void arch_write_unlock(arch_rwlock_t *rw)
{
asm volatile(ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(
" stlr wzr, %0",
" swpl wzr, wzr, %0")
: "=Q" (rw->lock) :: "memory");
}
知道你们不爱看汇编代码,那么翻译成C语言的伪代码看看吧:
读写锁当然也有类似于自旋锁的关中断、关底半部的形式:read_lock_irq/read_lock_bh/write_lock_irq/write_lock_bh,原理都类似,不再赘述了。
来看一下流程图:
最近在项目中,遇到了RCU Stall的问题,下一个topic就先来看看RCU吧,其他的并发机制都会在路上,Just keep growing and fuck everthing else,收工!
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