摘自：https://www.jianshu.com/p/f0d6e7103d9b
spinlock用在什么场景？
自旋锁用在临界区代码非常少的情况。
spinlock在使用时有什么注意事项？
- 临界区代码应该尽可能精简
- 不允许睡眠（会出现死锁）
- Need to have interrupts disabled when locked by ordinary threads, if shared by an interrupt handler。（会出现死锁）
spinlock是怎么实现的？
看一下源代码：
typedef struct raw_spinlock {
arch_spinlock_t raw_lock;
#ifdef CONFIG_GENERIC_LOCKBREAK
unsigned int break_lock;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK
unsigned int magic, owner_cpu;
void *owner;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
struct lockdep_map dep_map;
#endif
} raw_spinlock_t;
typedef struct spinlock {
union {
struct raw_spinlock rlock;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
# define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))
struct {
u8 __padding[LOCK_PADSIZE];
struct lockdep_map dep_map;
};
#endif
};
} spinlock_t;
如果忽略CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC话，spinlock主要包含一个arch_spinlock_t的结构，从名字可以看出，这个结构是跟体系结构有关的。
加锁流程
加锁的相关源码如下：
#define raw_spin_lock(lock) _raw_spin_lock(lock)
static inline void spin_lock(spinlock_t *lock)
{
raw_spin_lock(&lock->rlock);
}
_raw_spin_lock完成实际的加锁动作。
根据CPU体系结构，spinlock分为SMP版本和UP版本，这里以SMP版本为例来分析。SMP版本中，_raw_spin_lock为声明为：
void __lockfunc _raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock) __acquires(lock);
再看_raw_spin_lock的实现，SMP版本中，看_raw_spin_lock最终调用了__raw_spin_lock，__raw_spin_lock的源代码如下：
static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)
{
// 禁止抢占
preempt_disable();
// for debug
spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_);
// real work done here
LOCK_CONTENDED(lock, do_raw_spin_trylock, do_raw_spin_lock);
}
LOCK_CONTENDED是一个通用的加锁流程。do_raw_spin_trylock和do_raw_spin_lock的实现依赖于具体的体系结构，以x86为例，do_raw_spin_trylock最终调用的是：
do_raw_spin_trylock的源代码：
static inline int do_raw_spin_trylock(raw_spinlock_t *lock)
{
// 体系结构相关
return arch_spin_trylock(&(lock)->raw_lock);
}
以x86为例，arch_spin_trylock最终调用__ticket_spin_trylock函数。其源代码如下：
// 定义在arch/x86/include/asm/spinlock_types.h
typedef struct arch_spinlock {
union {
__ticketpair_t head_tail;
struct __raw_tickets {
__ticket_t head, tail; // 注意，x86使用的是小端模式，存在高地址空间的是tail
} tickets;
};
} arch_spinlock_t;
// 定义在arch/x86/include/asm中
static __always_inline int __ticket_spin_trylock(arch_spinlock_t *lock)
{
arch_spinlock_t old, new;
// 获取旧的ticket信息
old.tickets = ACCESS_ONCE(lock->tickets);
// head和tail不一致，说明锁正被占用，加锁不成功
if (old.tickets.head != old.tickets.tail)
return 0;
new.head_tail = old.head_tail + (1 << TICKET_SHIFT); // 将tail + 1
/* cmpxchg is a full barrier, so nothing can move before it */
return cmpxchg(&lock->head_tail, old.head_tail, new.head_tail) == old.head_tail;
}
从上述代码中可知，__ticket_spin_trylock的核心功能，就是判断自旋锁是否被占用，如果没被占用，尝试原子性地更新lock中的head_tail的值，将tail+1，返回是否加锁成功。
不考虑CONFIG_DEBUG_SPINLOCK宏的话， do_raw_spin_lock的源代码如下：
static inline void do_raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock) __acquires(lock)
{
__acquire(lock);
arch_spin_lock(&lock->raw_lock);
}
arch_spin_lock的源代码：
static __always_inline void arch_spin_lock(arch_spinlock_t *lock)
{
__ticket_spin_lock(lock);
}
__ticket_spin_lock的源代码：
static __always_inline void __ticket_spin_lock(arch_spinlock_t *lock)
{
register struct __raw_tickets inc = { .tail = 1 };
// 原子性地把ticket中的tail+1，返回的inc是+1之前的原始值
inc = xadd(&lock->tickets, inc);
for (;;) {
// 循环直到head和tail相等
if (inc.head == inc.tail)
break;
cpu_relax();
// 读取新的head值
inc.head = ACCESS_ONCE(lock->tickets.head);
}
barrier(); /* make sure nothing creeps before the lock is taken */
}
ticket分成两个部分，一部分叫tail,相当于一个队列的队尾，一个部分叫head，相当于一个队列的队头。初始化的时候,tail和head都是0，表示无人占用锁。
__ticket_spin_lock就是原子性地把tail+1，并且把+1之前的值记录下来，然后不断地和head进行比较。由于是原子性的操作，所以不同的锁竞争者拿到的tail值是不一样的。如果tail值和head一样了，说明这时候没人占用锁了，下一个拿到锁的就是自己了。
举例来说，假设线程A和线程B竞争同一个自旋锁：
- 初始化tail=0, head=0，线程A将tail+1, 并返回tail的旧值0，将0和head值比较，相等，于是这时候线程A就拿到了锁。
- 线程A这时候也来拿锁，将tail值+1，变成2，返回tail的旧值1，将其和head值0比较，不相等，继续循环。
- 线程A用完锁了，将head值+1。
- 线程B读取head值，并将其和tail值比较，发现相等，获得锁。
解锁流程
对于SMP架构来说，spin_unlock最终调用的是__raw_spin_unlock，其源代码如下：
static inline void __raw_spin_unlock(raw_spinlock_t *lock)
{
spin_release(&lock->dep_map, 1, _RET_IP_);
// 主要的解锁工作
do_raw_spin_unlock(lock);
// 启用抢占
preempt_enable();
}
static inline void do_raw_spin_unlock(raw_spinlock_t *lock) __releases(lock)
{
arch_spin_unlock(&lock->raw_lock);
__release(lock);
}
arch_spin_unlock在x86体系结构下的实现代码如下：
static __always_inline void arch_spin_unlock(arch_spinlock_t *lock)
{
__ticket_spin_unlock(lock);
}
static __always_inline void __ticket_spin_unlock(arch_spinlock_t *lock)
{
// 将tickers的head值加1
__add(&lock->tickets.head, 1, UNLOCK_LOCK_PREFIX);
}
考虑中断处理函数
如果自旋锁可能在中断处理处理中使用，那么在获取自旋锁之前，必须禁止本地中断。则，持有锁的内核代码会被中断处理程序打断，接着试图去争用这个已经被持有的自旋锁。这样的结果是，中断处理函数自旋，等待该锁重新可用，但是锁的持有者在该中断处理程序执行完毕之前不可能运行，这就成为了双重请求死锁。注意，需要关闭的只是当前处理器上的中断。因为中断发生在不同的处理器上，即使中断处理程序在同一锁上自旋，也不会妨碍锁的持有者（在不同处理器上）最终释放。
所以要使用spin_lock_irqsave() / spin_unlock_irqrestore()这个版本的加锁、解锁函数。
函数spin_lock_irqsave()：保存中断的当前状态，禁止本地中断，然后获取指定的锁。
函数spin_unlock_reqrestore():对指定的锁解锁，让中断恢复到加锁前的状态。所以即使中断最初是被禁止的，代码也不会错误地激活它们。
spinlock的几种变种
- rwlock_t 读写锁
- seqlock_t 顺序锁
参考资料
Ticket spinklocks
Linux内核源代码
原文地址：https://www.cnblogs.com/LiuYanYGZ/p/12404971.html