嵌入式中锁机制杂谈

        在之前的文章中有提到操作系统中锁机制一般依赖于硬件CPU提供的原子数据操作指令，如SWP, TEST AND SET等原子原语实现。基于此，才能真正保证锁机制的有效实现。

        通过上面原子操作，我们比较容易实现所谓的自旋操作（原子性的原地循环判断条件，直到条件满足才能继续执行后面指令。这里没有直接使用自旋锁表述，为了区分具体的锁机制命名，如自旋锁，互斥锁，信号量，及读写锁）。通过这种自旋操作（被称为基于条件的操作），可以定义延伸出不少锁的概念，或者至少在实现锁时多少都会使用自旋操作语义来实现。如，互斥锁和信号量都是基于任务（线程或者进程）级别使用的，在条件不满足时sleep等待，直到被wakeup，但是判断条件是否满足时也要保证原子自旋操作。

       一般操作系统中普遍的分为任务上下文和中断上下文。嵌入式系统现在一般也可划分为UP（单CPU）和MP（多CPU,此处特指SMP，多CPU存在共享资源。下同）系统。每个CPU上面执行的任务都会存在任务上下文和中断上下文的概念，由操作系统统一进行资源调度和分配。下面针对UP和MP各自存在的任务上下文和中断上下文在实现自旋操作方面进行分析。

       不管UP和MP，只要程序运行路径存在多条时，都会产生竞态（race condition）。竞态可能直接导致了对相同数据的不一致访问，需要对竞态进行约束，从而产生了基于原子操作的锁机制，对某一临界区资源进行保护。

       任何事物处于发展变化当中，都有其两面性，就像阴和阳。使用锁会带来系统性能下降的同时但也保证了逻辑运行的正确性。不能正确分析使用锁的情形，有可能会发生死锁，导致系统崩溃。

       基于自旋操作的自旋锁及其延伸锁机制比较有代表性，我们来看下几种情形下使用自旋锁和中断交互的情况：

       自旋锁：spin_lock（）和spin_unlock()

       中断使能和关闭：enable_irq（）和disable_irq（）

       中断状态保存和恢复：irq_flag_save（）和irq_flag_restore（）

       在UP和任务上下文中，访问相同资源不涉及中断上下文，每个任务各自运行，任务间共享资源，这种情形不会发生死锁现象，直接使用自旋锁即可（自旋的任务需要等待本任务时间片退出后，再调度其他拥有锁的任务执行释放锁后）。

       任务中：spin_lock（）；临界区 spin_unlock()；

       在UP中，任务和中断上下文时，各任务和中断中访问相同资源时，由于中断响应抢占执行，加锁不当会发生死锁现象。死锁产生为：任务中临界区加锁后，在中断运行中锁无法获得不能退出发生死锁。如何解决：可以在任务加锁时禁止中断，释放锁时使能中断来完成。在中断中使用锁时，应该禁止中断抢占（关中断），但是何时开启中断呢？拿ARM讲，进入中断模式时，自动关闭中断，退出中断模式时自动开启中断，也就是在中断模式使用锁时，不能提前使能中断，否则由于提早使能了中断会导致中断嵌套（如果不支持中断嵌套，程序就会出错）。

      但是发生的锁嵌套需要我们记录下进入锁之前的中断状态flag，锁退出时还原之前的中断状态flag，而不是简单的使能中断enable_irq（）所能做到的，如下：

     任务中：flag = irq_flag_save（）; disable_irq（）;spin_lock（）;临界区..  spin_unlock(); irq_flag_restore（flag ）;

     中断中:  flag = irq_flag_save（）; disable_irq（）;spin_lock（）;临界区..  spin_unlock(); irq_flag_restore（flag ）;

     在MP中和任务上下文中，访问相同资源不涉及中断上下文，每个任务各自运行，任务间及多CPU共享资源，这种情形不会发生死锁现象，直接使用自旋锁即可。自旋锁也是最初基于解决SMP同步机制时提出的。如下：

     任务中：spin_lock（）；临界区 spin_unlock()；

     在MP中，任务和中断上下文时，由于对资源的使用涉及本CPU，其他CPU，一个CPU内的中断上下文和任务上下文等。因此CPU间使用自旋锁保护，本CPU内不同上下文采用自旋锁和开关中断方式来保护。如下：

     多CPU任务中：flag = irq_flag_save（）; disable_irq（）;spin_lock（）;临界区..  spin_unlock(); irq_flag_restore（flag ）;

     多CPU中断中:  flag = irq_flag_save（）; disable_irq（）;spin_lock（）;临界区..  spin_unlock(); irq_flag_restore（flag ）;