菜鸟nginx源码剖析数据结构篇(十) 自旋锁ngx_spinlock

本文详细解析了Nginx中的自旋锁ngx_spinlock的实现原理与源代码细节,包括其在多处理器环境中的作用及具体实现过程。

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菜鸟nginx源码剖析数据结构篇(十) 自旋锁ngx_spinlock

 

  • Author:Echo Chen(陈斌)

  • Email:chenb19870707@gmail.com

  • Blog:Blog.youkuaiyun.com/chen19870707

  • Date:Nov 11th, 2014

              自旋锁(Spinlock)是一种 Linux 内核中广泛运用的底层同步机制。自旋锁是一种工作于多处理器环境的特殊的锁,在单处理环境中自旋锁的操作被替换为空操作。当某个处理器上的内核执行线程申请自旋锁时,如果锁可用,则获得锁,然后执行临界区操作,最后释放锁;如果锁已被占用,线程并不会转入睡眠状态,而是忙等待该锁,一旦锁被释放,则第一个感知此信息的线程将获得锁。

    1.源代码位置

     

    源文件:http://trac.nginx.org/nginx/browser/nginx/src/core/ngx_spinlock.c

     

    2.相关结构定义

    原子锁结构 ngx_atomic_t:

       1: typedef unsigned long               ngx_atomic_uint_t;
       2: typedef volatile ngx_atomic_uint_t  ngx_atomic_t;

    原子锁值类型 ngx_atomic_int_t:

       1: typedef long                        ngx_atomic_int_t;

    原子的比较和交换,如果lock和old相等,则set写入lock

       1: #define ngx_atomic_cmp_set(lock, old, set)                                    \
       2:     __sync_bool_compare_and_swap(lock, old, set)

    说明:

    bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)
           type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)

    这两个函数是GCC提供原子的比较和交换,如果*ptr == oldval,就将newval写入*ptr。


    进程主动让出执行权,ngx_sched_yeld

       1: #define ngx_sched_yield()  sched_yield()

    3.源代码剖析

       1: void
       2: ngx_spinlock(ngx_atomic_t *lock, ngx_atomic_int_t value, ngx_uint_t spin)
       3: {
       4:  
       5: #if (NGX_HAVE_ATOMIC_OPS)
       6:  
       7:     ngx_uint_t  i, n;
       8:  
       9:  
      10:     for ( ;; ) {
      11:  
      12:         //*lock == 0,没有上锁则上锁,则调用ngx_atomic_cmp_set上锁,设置*lock=value,然后返回 
      13:         if (*lock == 0 && ngx_atomic_cmp_set(lock, 0, value)) {
      14:             return;
      15:         }
      16:         
      17:         // 多核
      18:         if (ngx_ncpu > 1) {
      19:             
      20:             //如果 spin 为 80,则第一次等待 1 个 ngx_cpu_pause() 操作,然后再次查看锁是否可用。接下来每轮分别等待 2个、4 个、8 个、16 个、32 个、64 个 ngx_cpu_pause() 操作后再试。
      21:               //这中间过程中如果出现锁被释放从而可以使用的情况,则循环会被中止,spinlock 函数会返回值。如果重试仍没有成功,则执行 ngx_sched_yield,然后再重复上面的操作。
      22:             for (n = 1; n < spin; n <<= 1) {
      23:  
      24:                 for (i = 0; i < n; i++) {
      25:                     ngx_cpu_pause();
      26:                 }
      27:                 
      28:                 //检查是否上锁,如果 *lock == 0,则迅速上锁返回
      29:                 if (*lock == 0 && ngx_atomic_cmp_set(lock, 0, value)) {
      30:                     return;
      31:                 }
      32:             }
      33:         }
      34:         
      35:         //让出CPU执行权
      36:         ngx_sched_yield();
      37:     }
      38:  
      39: #else
      40:  
      41: #if (NGX_THREADS)
      42:  
      43: #error ngx_spinlock() or ngx_atomic_cmp_set() are not defined !
      44:  
      45: #endif
      46:  
      47: #endif
      48:  
      49: }

     

  • 4.参考资料

     

    1.http://blog.youkuaiyun.com/poechant/article/details/8062969

    2.《深入理解Nginx》

  •  

  • -Echo Chen

  • Blog.youkuaiyun.com/chen19870707

  • -

<think>嗯,用户现在问的是Nginx的高级数据结构,特别是ngx_queue_t的用途。之前用户已经询问过关于request_pool_size销毁的原因,可能现在想深入了解Nginx内部的实现机制。我需要先回忆一下ngx_queue_t的相关知识。 首先,ngx_queue_t是Nginx中一个双向链表的实现。用户可能想知道为什么Nginx要自己实现这样的数据结构,而不是使用C语言标准库里的结构。这可能涉及到性能优化、内存管理或者跨平台兼容性的问题。 接着,用户可能对具体的使用场景感兴趣。比如在HTTP模块中,Nginx如何处理请求,哪些部分会用到这种链表结构。需要举一些例子,比如维护定时事件、管理HTTP请求等,说明ngx_queue_t的实际应用。 另外,用户可能想了解这种数据结构的特点,比如轻量级、不侵入数据结构的实现方式。需要解释侵入式和非侵入式链表的区别,以及为什么Nginx选择这种方式。可能还要提到内存管理的优势,比如内存池的配合使用,减少内存碎片。 还要考虑用户可能的疑问,比如与其他数据结构如红黑树的区别。这时候需要指出链表和树的不同应用场景,比如链表适合频繁插入删除,而红黑树适合快速查找。说明Nginx如何根据不同的需求选择不同的数据结构。 另外,用户可能对如何在自己的模块中使用ngx_queue_t感兴趣,可能需要简单的代码示例,但用户问题中没有明确要求,所以可能不需要详细代码,但可以简要说明其使用方式,比如初始化、插入节点等步骤。 最后,总结ngx_queue_t的优势,比如高效、灵活、节省内存,以及为什么在Nginx中这样的设计是合理的,适合高并发场景的需求。同时确保回答结构清晰,符合之前用户要求的层次分明的格式,比如分点说明用途、设计特点、优势比较等。</think>Nginx 内部设计了许多高效的自定义数据结构以适配高并发场景,`ngx_queue_t` 是其中一种双向链表的实现,其核心价值在于**轻量级、无侵入、内存友好**的设计。以下是其关键用途与设计逻辑: --- ### 一、`ngx_queue_t` 的核心用途 1. **轻量级链表操作** - 用于需要频繁插入、删除但无需复杂查找的场景(如定时器事件管理、HTTP 请求阶段处理器链)。 - 示例: - 维护超时事件(`ngx_event_timer_rbtree` 结合红黑树和队列管理)。 - HTTP 请求处理阶段(`phase_engine` 中按顺序调用各阶段处理函数)。 2. **无侵入式设计** - 链表节点(`ngx_queue_t`)**不嵌入业务数据结构**,而是通过指针关联,避免强制耦合。 例如: ```c typedef struct { ngx_queue_t queue; // 链表节点 void *data; // 实际业务数据指针 } ngx_custom_node_t; ``` - 优势:同一业务结构可同时加入多个链表,灵活性高。 3. **内存池友好** - 节点内存通常从 Nginx 的 `ngx_pool_t` 内存池分配,生命周期与请求或连接绑定,避免内存泄漏。 --- ### 二、`ngx_queue_t` 的设计特点 1. **极简结构体** 仅包含前驱(`prev`)和后继(`next`)指针,无额外开销: ```c typedef struct ngx_queue_s ngx_queue_t; struct ngx_queue_s { ngx_queue_t *prev; ngx_queue_t *next; }; ``` 2. **高效操作宏** 提供宏直接操作链表,避免函数调用开销(如 `ngx_queue_insert_head`、`ngx_queue_remove`)。 3. **与红黑树互补** - **`ngx_queue_t`**:适合顺序遍历或频繁增删。 - **`ngx_rbtree_t`**:适合快速查找(如定时器、共享内存键值存储)。 - 两者常结合使用(例如定时器用红黑树管理超时时间,用队列维护活跃事件)。 --- ### 三、对比传统链表的优势 | 特性 | `ngx_queue_t` | 传统链表(如 Linux 内核 `list_head`) | |---------------------|--------------------------------|--------------------------------------| | **内存占用** | 更小(仅 2 指针) | 类似 | | **数据耦合** | 无侵入式 | 通常需嵌入结构体 | | **多链表支持** | 通过指针关联,灵活 | 需预先定义嵌入节点 | | **内存管理** | 深度整合 Nginx 内存池 | 依赖外部分配机制 | --- ### 四、典型应用场景 1. **HTTP 请求处理链** 各处理阶段(如 `NGX_HTTP_SERVER_REWRITE_PHASE`)通过链表串联处理函数。 2. **事件定时器** 超时事件按时间排序存入红黑树,活跃事件通过队列管理。 3. **模块配置合并** 多个模块的配置指令通过链表合并(如 `listen` 指令的 `ngx_listening_t` 列表)。 --- ### 五、使用示例(伪代码) ```c // 定义业务数据结构 typedef struct { int id; ngx_queue_t link; // 链表节点 } ngx_custom_data_t; // 初始化链表 ngx_queue_t head; ngx_queue_init(&head); // 插入节点 ngx_custom_data_t *node = ngx_palloc(pool, sizeof(ngx_custom_data_t)); node->id = 100; ngx_queue_insert_tail(&head, &node->link); // 遍历链表 ngx_queue_t *q; for (q = ngx_queue_head(&head); q != ngx_queue_sentinel(&head); q = ngx_queue_next(q)) { ngx_custom_data_t *data = ngx_queue_data(q, ngx_custom_data_t, link); // 处理 data->id } ``` --- ### 总结 `ngx_queue_t` 是 Nginx 为高并发场景量身定制的双向链表,其**无侵入、低开销、内存池集成**的特性,使其在事件管理、请求处理等核心流程中成为高效的基础设施。与红黑树等结构配合,共同支撑 Nginx 的高性能架构。
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