自旋锁算法的实现 #
自旋锁算法看似很好，但是想要正确执行它，就必须保证读取锁变量和判断并加锁的操作是原子执行的。否则，CPU0 在读取了锁变量之后，CPU1 读取锁变量判断未加锁执行加锁，然后 CPU0 也判断未加锁执行加锁，这时就会发现两个 CPU 都加锁成功，因此这个算法出错了。
怎么解决这个问题呢？这就要找硬件要解决方案了，x86 CPU 给我们提供了一个原子交换指令，xchg，它可以让寄存器里的一个值跟内存空间中的一个值做交换。例如，让 eax=memlock，memlock=eax 这个动作是原子的，不受其它 CPU 干扰。
下面我们就去实现自旋锁，代码如下所示。
//自旋锁结构
typedef struct
{
//volatile可以防止编译器优化，保证其它代码始终从内存加载lock变量的值
volatile u32_t lock;
} spinlock_t;
//锁初始化函数
static inline void x86_spin_lock_init(spinlock_t * lock)
{
lock->lock = 0;//锁值初始化为0是未加锁状态
}
//加锁函数
static inline void x86_spin_lock(spinlock_t * lock)
{
__asm__ __volatile__ (
"1: \n"
"lock; xchg %0, %1 \n"//把值为1的寄存器和lock内存中的值进行交换
"cmpl $0, %0 \n" //用0和交换回来的值进行比较
"jnz 2f \n" //不等于0则跳转后面2标号处运行
"jmp 3f \n" //若等于0则跳转后面3标号处返回
"2: \n"
"cmpl $0, %1 \n"//用0和lock内存中的值进行比较
"jne 2b \n"//若不等于0则跳转到前面2标号处运行继续比较
"jmp 1b \n"//若等于0则跳转到前面1标号处运行，交换并加锁
"3: \n" :
: "r"(1), "m"(*lock));
}
//解锁函数
static inline void x86_spin_unlock(spinlock_t * lock)
{
__asm__ __volatile__(
"movl $0, %0\n"//解锁把lock内存中的值设为0就行
:
: "m"(*lock));
}
上述代码的关键点在于 xchg 指令，xchg %0, %1 。其中， %0 对应 “r”(1)，表示由编译器自动分配一个通用寄存器，并填入值 1，例如 mov eax，1。而 %1 对应"m"(*lock)，表示 lock 是内存地址。把 1 和内存中的值进行交换，若内存中是 1，则不会影响；因为本身写入就是 1，若内存中是 0，一交换，内存中就变成了 1，即加锁成功。
自旋锁依然有中断嵌套的问题，也就是说，在使用自旋锁的时候我们仍然要注意中断。在中断处理程序访问某个自旋锁保护的某个资源时，依然有问题，所以我们要写的自旋锁函数必须适应这样的中断环境，也就是说，它需要在处理中断的过程中也能使用，如下所示。
static inline void x86_spin_lock_disable_irq(spinlock_t * lock,cpuflg_t* flags)
{
__asm__ __volatile__(
"pushfq \n\t"
"cli \n\t"
"popq %0 \n\t"
"1: \n\t"
"lock; xchg %1, %2 \n\t"
"cmpl $0,%1 \n\t"
"jnz 2f \n\t"
"jmp 3f \n"
"2: \n\t"
"cmpl $0,%2 \n\t"
"jne 2b \n\t"
"jmp 1b \n\t"
"3: \n"
:"=m"(*flags)
: "r"(1), "m"(*lock));
}
static inline void x86_spin_unlock_enabled_irq(spinlock_t* lock,cpuflg_t* flags)
{
__asm__ __volatile__(
"movl $0, %0\n\t"
"pushq %1 \n\t"
"popfq \n\t"
:
: "m"(*lock), "m"(*flags));
}
以上代码实现了关中断下获取自旋锁，以及恢复中断状态释放自旋锁。在中断环境下也完美地解决了问题。