Linux内核深度解析之内核互斥技术——读写自旋锁

读写自旋锁

读写自旋锁（通常简称读写锁）是对自旋锁的改进，区分读者和写者，允许多个读者同时进入临界区，读者和写者互斥，写者和写者互斥。

如果读者占有读锁，写者申请写锁的时候自旋等待。如果写者占有写锁，读者申请读锁的时候自旋等待。

读写自旋锁的定义：

include/linux/rwlock_types.h
typedef struct {
	arch_rwlock_t raw_lock;
    ...
} rwlock_t;

各种处理器架构需要自定义数据类型arch_rwlock_t，ARM64架构的定义：

typedef struct qrwlock {
	union {
		atomic_t cnts;
		struct {
#ifdef __LITTLE_ENDIAN
			u8 wlocked;	/* Locked for write? */
			u8 __lstate[3];
#else
			u8 __lstate[3];
			u8 wlocked;	/* Locked for write? */
#endif
		};
	};
	arch_spinlock_t		wait_lock;
} arch_rwlock_t;

定义并且初始化静态读写自旋锁的方法：

DEFINE_RWLOCK(x)

在运行时动态初始化读写自旋锁的方法：

rwlock_init(lock)

申请读锁的函数：

（1）申请读锁，如果写者占有写锁，当前处理器等待

read_lock(lock)

（2）申请读锁，并且禁止当前处理器的软中断

read_lock_bh(lock)

（3）申请读锁，并且禁止当前处理器的硬中断

 read_lock_irq(lock)

（4）申请读锁，保存当前处理器的硬中断状态，并且禁止当前处理器的硬中断

read_lock_irqsave(lock, flags)

 （5）尝试申请读锁，如果没有占有写锁的写者，那么申请成功，返回1；如果写者占有写锁，那么当前处理器不等待，返回0

read_trylock(lock)

释放读锁的函数：

（1）释放读锁

read_unlock(lock)

（2）释放读锁，并且开启当前处理器的软中断

read_unlock_bh(lock)

（3）释放读锁，并且开启当前处理器的硬中断

read_unlock_irq(lock)

（4）释放读锁，并且恢复当前处理器的硬中断状态

read_unlock_irqrestore(lock, flags)

 申请写锁的函数：

（1）申请写锁，如果写者占有写锁或者读者占有读锁，当前处理器自旋等待

write_lock(lock)

（2）申请写锁，并且禁止当前处理器的软中断

write_lock_bh(lock)

（3）申请写锁，并且禁止当前处理器的硬中断

write_lock_irq(lock)

（4）申请写锁，保存当前处理器的硬中断状态，并且禁止当前处理器的硬中断

write_lock_irqsave(lock, flags)

（5）尝试申请写锁，如果没有占有锁的写者和读者，那么申请写锁成功，返回1；如果写者占有写锁或者读者占有读锁，那么当前处理器不等待，立即返回0

write_trylock(lock)

释放写锁的函数：

（1）释放写锁

write_unlock(lock)

（2）释放写锁，并且开启当前处理器的软中断

write_unlock_bh(lock)

（3）释放写锁，并且开启当前处理器的硬中断

write_unlock_irq(lock)

（4）释放写锁，并且恢复当前处理器的硬中断状态

write_unlock_irqrestore(lock, flags)

读写自旋锁使用一个无符号32位整数作为计数值，写锁使用最高位，读锁使用其余31位，算法如下：

（1）申请写锁时，如果计数值是0，那么设置计数的最高位，进入临界区；如果计数值不是0说明写者占有写锁或者读者占有读锁，那么自旋等待；

（2）申请读锁时，如果计数值的最高位为0，那么把计数加1，进入临界区；如果计数的最高位不是0，说明写者占有写锁，那么自旋等待；

（3）释放写锁时，把计数值设置为0；

（4）释放读锁时，把计数值减1。

读写自旋锁的缺点是：如果读者很多，写者很难获取写锁，可能饿死。针对这个缺点，内核实现了排队读写锁，主要改进是：如果写者正在等待写锁，那么读者申请读锁时自旋等待，写者在锁被释放以后先得到写锁。排队读写锁的配置宏是CONFIG_QUEUED_RWLOCKS，源文件是“kernel/locking/qrwlock.c”。