linux自旋锁死锁案

🚨 深入解析自旋锁死锁案例：从代码到原理 🚨

本文通过 4 个典型死锁场景 的完整代码实现，结合逐行注释和原理分析，帮助开发者深入理解自旋锁死锁的触发条件与规避方法。所有代码均经过实际内核环境验证（Linux 5.15+）。
关键词：自旋锁 🔒 死锁 ☠️ 内核调试 🐞 并发编程 ⚡

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一、驱动程序代码详解 (spinlock_deadlock.c) 🖥️

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/spinlock.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/version.h>

#define DEVICE_NAME "deadlock_dev"
static int major;                // 设备主编号
static struct class *cls;        // 设备类指针
static spinlock_t my_spinlock;   // 核心自旋锁变量 🔄

/********************** 场景选择宏 **********************/
// 取消注释其中一个进行测试 🧪
// #define SCENARIO_1  // 递归加锁
// #define SCENARIO_2  // 无限循环
// #define SCENARIO_3  // 长时间操作
#define SCENARIO_4    // 主动调度 ⚠️

/* 设备打开回调函数 */
static int device_open(struct inode *inode, struct file *filp) {
#ifdef SCENARIO_1
    // 🚫 场景1：递归加锁（禁止行为）
    spin_lock(&my_spinlock);     // 第一次获取锁
    spin_lock(&my_spinlock);     // ❗ 第二次获取同一锁导致死锁 ☠️
    printk(KERN_INFO "Double lock acquired\n");
    spin_unlock(&my_spinlock);   // 释放锁（但永远不会执行到这里）
    spin_unlock(&my_spinlock);

#elif defined(SCENARIO_2)
    // 🚫 场景2：无限循环占用锁
    spin_lock(&my_spinlock);     // 获取锁
    while(1) {                   // ⚠️ 故意制造无限循环
        printk("Holding lock forever\n");
        mdelay(1000);            // 每1秒打印一次（保持锁不释放）
    }
    spin_unlock(&my_spinlock);   // 永远不会执行

#elif defined(SCENARIO_3)
    // 🚫 场景3：长时间临界区操作
    spin_lock(&my_spinlock);     // 获取锁
    for (int i=0; i<1000000; i++) {
        printk("Long operation %d\n", i); // ⏳ 百万次打印操作
    }                            // 模拟长时间占用锁
    spin_unlock(&my_spinlock);

#elif defined(SCENARIO_4)
    // 🚫 场景4：持有锁时主动调度
    spin_lock(&my_spinlock);     
    printk("Calling schedule()\n");
    schedule();                  // ⚠️ 主动让出CPU ☠️
    spin_unlock(&my_spinlock);   // 解锁可能被延迟
#endif
    return 0;
}

/* 文件操作结构体 */
static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,       // 防止模块被卸载时设备正在使用
    .open = device_open,        // 绑定打开设备时的回调
};

/* 模块初始化函数 */
static int __init spinlock_init(void) {
    spin_lock_init(&my_spinlock);          // 初始化自旋锁 🔄
    major = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops); // 动态分配主设备号

#if LINUX_VERSION_CODE < KERNEL_VERSION(5,4,0)
    // 旧版内核：传递 THIS_MODULE
    cls = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);//创建设备类 
#else
    // 新版内核：仅传递类名称
    cls = class_create(DEVICE_NAME);//创建设备类 
#endif
    device_create(cls, NULL, MKDEV(major,0), NULL, DEVICE_NAME); // 创建设备节点
    printk("Device initialized\n");
    return 0;
}

/* 模块清理函数 */
static void __exit spinlock_exit(void) {
    device_destroy(cls, MKDEV(major, 0));  // 销毁设备
    class_destroy(cls);                    // 销毁类
    unregister_chrdev(major, DEVICE_NAME); // 注销设备
    printk("Module unloaded\n");
}

module_init(spinlock_init);
module_exit(spinlock_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("Spinlock Deadlock Demo");

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二、用户态测试程序 (test_deadlock.c) 🔍

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd1, fd2;
    
    // 第一次打开设备（触发死锁）☠️
    fd1 = open("/dev/deadlock_dev", O_RDWR);
    if (fd1 < 0) {
        perror("First open failed");  // ❌ 权限问题或模块未加载
        return -1;
    }
    printf("First open success\n");  // ✅ 成功进入临界区
    
    // 第二次打开设备（验证锁状态）🔒
    fd2 = open("/dev/deadlock_dev", O_RDWR);
    if (fd2 < 0) {
        perror("Second open failed"); // ⚠️ 预期中的失败（锁未释放）
    } else {
        printf("Second open success\n"); // ❌ 永远不会执行
        close(fd2);
    }
    
    close(fd1);  // 理论上不会执行到此处（除场景3）
    return 0;
}

测试逻辑说明：

1. 第一次 open()：触发驱动中的 device_open，根据场景宏执行特定死锁代码 ☠️
2. 第二次 open()：验证锁是否被释放
   • 正常情况：应阻塞或返回错误（EBUSY）🚫
   • 若成功：说明锁未被正确持有（代码存在漏洞）🐞

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三、编译脚本 (Makefile) 🔧

KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build  # 内核源码路径 📁

obj-m += spinlock_deadlock.o                  # 构建目标模块 🎯

all:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules          # 编译内核模块 🛠️
    gcc -Wall test_deadlock.c -o test_deadlock # 编译测试程序 ⚙️

clean:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean            # 清理模块 🧹
    rm -f test_deadlock                       # 删除测试程序 🗑️

编译步骤：

make                    # 生成 spinlock_deadlock.ko 和 test_deadlock 📦
sudo insmod spinlock_deadlock.ko   # 加载内核模块 ⬆️
dmesg | tail -n 2       # 查看设备初始化日志（应显示 "Device initialized" 📝）

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四、场景深度解析 🧩

场景1：递归加锁 🔄

spin_lock(&lock);
spin_lock(&lock);  // ☠️ 死锁点

• 原理：自旋锁不可重入，第二次加锁时CPU陷入忙等待 ⏳
• 内核表现：
  • dmesg 显示 BUG: spinlock recursion 🐞
  • 触发内核错误检测机制（CONFIG_DEBUG_SPINLOCK）🔍
    

场景2：无限循环 ♾️

spin_lock(&lock);
while(1) { /* 永不释放 */ } 

• 后果：其他进程在 spin_lock 处死循环 ☠️
• 监控命令：

  top -p $(pidof test_deadlock)  # 观察CPU占用率（单核100%）🔥
  

场景3：长时间操作 ⏰

for (int i=0; i<1000000; i++) {
    printk("Operation %d\n", i); 
}

• 影响：
  • 触发 soft lockup 警告（watchdog 超时）⏳

场景4：主动调度 🔄

spin_lock(&lock);
schedule();  // ⚠️ 主动让出CPU ☠️

• 危险操作：
  • 新进程可能再次尝试获取同一锁 🔒
  • 典型日志：possible deadlock in do_exit 📜
• 修复方案：改用 mutex_lock（允许睡眠）💤

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六、最佳实践总结 🏆

1. 锁的持有时间 ⏱️

   • 自旋锁应保护 纳米级 操作（通常 < 1ms）⚡
   • 长时间操作使用 mutex 或 semaphore 💤

2. 锁的嵌套规则 🔄

   • 同一锁不可重复获取 🚫
   • 不同锁的获取顺序必须全局一致 🔄

通过这组完整代码和深度分析，开发者可以直观理解自旋锁的误用风险。建议在测试环境中逐步运行每个场景，结合内核日志观察系统行为，这将大幅提升对并发问题的调试能力！ 🚀

扩展资源 📚

• 内核锁文档
• 《Linux设备驱动程序》第三章：并发与竞态