Linux 内核的排队自旋锁

排队自旋锁(FIFO Ticket Spinlock)是 Linux 内核 2.6.25 版本中引入的一种新型自旋锁，它解决了传统自旋锁由于无序竞争导致的“公平性”问题。
长期以来，人们总是关注于自旋锁的安全和高效，而忽视了自旋锁的“公平”性。传统的自旋锁本质上用一个整数来表示，值为1代表锁未被占用。这种无序竞争的本质特点导致执行线程无法保证何时能取到锁，某些线程可能需要等待很长时间。随着计算机处理器个数的不断增长，这种“不公平”问题将会日益严重。
排队自旋锁的设计原理
传统自旋锁的“不公平”问题在锁竞争激烈的服务器系统中尤为严重，因此 Linux 内核开发者 Nick Piggin 在 Linux 内核 2.6.25 版本中引入了排队自旋锁：通过保存执行线程申请锁的顺序信息来解决“不公平”问题。
排队自旋锁仍然使用原有的 raw_spinlock_t 数据结构，但是赋予 slock 域新的含义。为了保存顺序信息，slock 域被分成两部分，分别保存锁持有者和未来锁申请者的票据序号。
注:slock为：
typedef struct {
unsigned int slock;
} raw_spinlock_t;
只有 Next 域与 Owner 域相等时，才表明锁处于未使用状态（此时也无人申请该锁）。排队自旋锁初始化时 slock 被置为 0，即 Owner 和 Next 置为 0。内核执行线程申请自旋锁时，原子地将 Next 域加 1，并将原值返回作为自己的票据序号。如果返回的票据序号等于申请时的 Owner 值，说明自旋锁处于未使用状态，则直接获得锁；否则，该线程忙等待检查 Owner 域是否等于自己持有的票据序号，一旦相等，则表明锁轮到自己获取。线程释放锁时，原子地将 Owner 域加 1 即可，下一个线程将会发现这一变化，从忙等待状态中退出。线程将严格地按照申请顺序依次获取排队自旋锁，从而完全解决了“不公平”问题。
加锁实现：

static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)
{
    short inc = 0x0100;

    __asm__ __volatile__ (
        LOCK_PREFIX "xaddw %w0, %1\n"
        "1:\t"
        "cmpb %h0, %b0\n\t"
        "je 2f\n\t"
        "rep ; nop\n\t"
        "movb %1, %b0\n\t"
        /* don't need lfence here, because loads are in-order */
        "jmp 1b\n"
        "2:"
        :"+Q" (inc), "+m" (lock->slock)
        :
        :"memory", "cc");
}

a:LOCK_PREFIX 宏就是“lock”前缀。
b:xaddw 汇编指令将 slock 和 inc 的值交换，然后把这两个值相加后的和存到 slock 中。也就是说，该指令执行完毕后，inc 存有原来的 slock 值作为票据序号，而 slock 的 Next 域被加 1。
c:cmpb 比较 inc 变量的高位和低位字节是否相等，如果相等，表明锁处于未使用状态，直接跳转到标签 2 的位置退出函数。
d:如果锁处于使用状态，则不停地将当前的 slock 的 Owner 域复制到 inc 的低字节处(movb 指令)，然后重复 c 步骤。不过此时 inc 变量的高位和低位字节相等表明轮到自己获取了自旋锁。
解锁实现：

static inline void __raw_spin_unlock(raw_spinlock_t *lock)
{
    __asm__ __volatile__(
        UNLOCK_LOCK_PREFIX "incb %0"
        :"+m" (lock->slock)
        :
        :"memory", "cc");
}

原子地给当前的 slock 的 Owner 域加1.
转载自：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-spinlock/