大家好，我是王鸽， 这篇文章主要介绍一下内核中的自旋锁，之前有篇文章介绍内核锁的种类。linux内核态锁有哪些？

在Linux内核中，自旋锁（spinlock）是一种常用的同步机制，主要用于多处理器系统中保护短临界区。自旋锁的特点是当锁被占用时，尝试获取锁的线程会一直循环（自旋）等待，直到锁可用。因此，自旋锁适用于锁持有时间非常短的场景，以避免线程切换的开销。

原始自旋锁（raw_spinlock_t）：

这是最基本的自旋锁类型，提供最原始的自旋锁操作，不会进行任何额外的检查或调试。

在单核处理器上，原始自旋锁在编译时可能会被替换为禁止内核抢占的机制，因为在单核上自旋没有意义（如果持有锁的线程正在运行，那么自旋的线程永远无法获得锁）。

使用原始自旋锁时，必须确保锁持有期间禁止内核抢占，并且不会睡眠。

raw_spinlock_t lock;  raw_spin_lock(&lock);  raw_spin_unlock(&lock);

特点：最基础的自旋锁，不会禁用内核抢占

使用场景：内核中底层同步，特别是中断上下文

普通自旋锁（spinlock_t）：

这是对原始自旋锁的封装，提供了更多的调试和检测功能，例如锁的初始化检查、锁的持有者记录等。

在非抢占式内核中，普通自旋锁和原始自旋锁可能没有区别，但在抢占式内核中，普通自旋锁会处理内核抢占的相关问题。

spinlock_t lock;  spin_lock_init(&lock);  spin_lock(&lock);spin_unlock(&lock);

特点：在非抢占式内核中与 raw_spinlock_t 相同，在抢占式内核中会禁用内核抢占

使用场景：大多数内核代码的同步需求

读写自旋锁（rwlock_t）：

读写自旋锁允许多个读者同时持有锁，但写者必须独占锁。

读者和写者之间是互斥的，写者与写者之间也是互斥的。

读写自旋锁适用于读多写少的场景，可以提高并发性。

rwlock_t lock;

read_lock(&lock);     // 读锁

read_unlock(&lock);

write_lock(&lock);    // 写锁

write_unlock(&lock);

特点：允许多个读者同时访问，但写者需要独占访问

使用场景：读多写少的共享数据结构

顺序锁（seqlock_t）：

顺序锁是一种优化读写锁，它允许读者在写者正在写入时也能读取，但读者需要检查读取过程中是否发生了写操作，如果发生了则重试。

顺序锁适用于读远多于写，且写操作非常短的场景。

seqlock_t lock;

write_seqlock(&lock);

write_sequnlock(&lock);

unsigned seq;

do {

seq = read_seqbegin(&lock);  // 读取数据

} while (read_seqretry(&lock, seq));

特点：写者优先，读者需要检查数据是否被修改

使用场景：读者多、写者少，且数据简单、读取快的情况

RCU（Read-Copy-Update）：

虽然RCU不是严格的自旋锁，但它是一种同步机制，适用于读多写少的场景，并且读操作没有开销。

写者通过复制和更新来修改数据，然后等待所有读者离开临界区后，再释放旧的数据。

MCS锁（MCS lock）：

MCS锁是一种基于队列的自旋锁，每个尝试获取锁的线程在本地变量上自旋，从而减少缓存行的竞争，提高可伸缩性。

Linux内核中的排队自旋锁（ticket spinlock）和MCS锁类似，但实现方式不同。

每个CPU在本地变量上自旋，减少缓存一致性流量

Linux 4.2+ 在某些架构上使用

排队自旋锁（ticket spinlock）：

排队自旋锁通过两个计数器（一个是当前服务的票号，一个是下一个可用的票号）来实现锁的排队，确保先来先服务，避免饥饿。

Linux 2.6.25 后默认采用

解决传统自旋锁的公平性问题

基于票据（ticket）实现先进先出

自适应自旋锁（adaptive spinlock）：

在某些系统中，自旋锁可能会自适应地选择自旋还是阻塞，例如在虚拟化环境中，如果锁被另一个CPU上的线程持有，则可能会选择阻塞以避免浪费CPU时间。

禁止中断的变体

禁中断的自旋锁

unsigned long flags; spin_lock_irqsave(&lock, flags);  // 保存中断状态并禁用中断  spin_unlock_irqrestore(&lock, flags); spin_lock_irq(&lock);             // 禁用中断（不保存状态）spin_unlock_irq(&lock);

使用场景：中断处理程序与进程上下文共享数据时

禁下半部的自旋锁

spin_lock_bh(&lock);      // 禁用软中断/下半部 spin_unlock_bh(&lock);

使用场景：与软中断/Tasklet共享数据时

使用选择指南

原始自旋锁：#include

普通自旋锁：#include

读写自旋锁：#include

顺序锁：#include

初始化：spin_lock_init()

加锁：spin_lock()

解锁：spin_unlock()

使用注意事项

持有时间短：自旋锁应保护很小的临界区

不能睡眠：持有自旋锁时不能调用可能睡眠的函数

中断安全：注意使用正确的锁变体防止死锁

初始化：动态初始化和静态初始化都要确保正确

初始化--静态和动态

// 静态初始化  DEFINE_SPINLOCK(my_lock);   // 动态初始化  spinlock_t my_lock;  spin_lock_init(&my_lock);

这些自旋锁机制为内核提供了高效的低级同步原语，是构建更高级同步机制的基础。

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