Linux4.4内核MCS/queue spinlocks

最新推荐文章于 2025-11-04 03:23:37 发布

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#linux spinlock #spinlock #内核 #qspinlock #qrwlock

本文介绍了Linux4.4内核中的MCS自旋锁，它优化了锁的实现，将大部分自旋操作移至per cpu的node，减少缓存失效，提升性能。MCS自旋锁通过链表实现等待队列，提供spin_lock/spin_unlock等接口，对用户透明。此外，还提及了qrwlock结构及其在多读少写场景的应用。

参考资料：https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-mcsspinlock/index.html

在qspinlock系列中使用了MCS，使用时仍使用spin_lock/spin_unlock、spin_lock_bh/spin_unlock_bh一套接口，对使用者透明。

mcs主要优化是将大部分自旋操作放在了per cpu的node中，防止多个cpu对同一个lock内存多次读写（全局的lock每次修改都会导致其他处理器缓存失效，频繁的缓存同步操作会导致繁重的系统总线和内存的流量，从而大大降低了系统整体的性能），以提高性能；通过链表实现了排队功能。

源码：

#define arch_spin_lock(l)		queued_spin_lock(l)
#define arch_spin_unlock(l)		queued_spin_unlock(l)

//spinlock

spinlock是一个atomic 类型的值，按bit分成如下几部分，在CPU个数不同时有所差别

/*
 * Bitfields in the atomic value:
 *
 * When NR_CPUS < 16K
 *  0- 7: locked byte
 *     8: pending
 *  9-15: not used
 * 16-17: tail index
 * 18-31: tail cpu (+1)
 *
 * When NR_CPUS >= 16K
 *  0- 7: locked byte
 *     8: pending
 *  9-10: tail index
 * 11-31: tail cpu (+1)
 */

/**
 * queued_spin_lock - acquire a queued spinlock
 * @lock: Pointer to queued spinlock structure
 */
static __always_inline void queued_spin_lock(struct qspinlock *lock)
{
	u32 val;
        /*尝试获取lock，获取成功直接return， 否则进入queued_spin_lock_slowpath排队获取lock*/
	val = atomic_cmpxchg_acquire(&lock->val, 0, _Q_LOCKED_VAL);
	if (likely(val == 0))
		return;
	queued_spin_lock_slowpath(lock, val);
}

/**
 * queued_spin_lock_slowpath - acquire the queued spinlock
 * @lock: Pointer to queued spinlock structure
 * @val: Current value of the queued spinlock 32-bit word
 *
 * (queue tail, pending bit, lock value)
 *
 *              fast     :    slow                                  :    unlock
 *                       :                                          :
 * uncontended  (0,0,0) -:--> (0,0,1) ------------------------------:--> (*,*,0)
 *                       :       | ^--------.------.             /  :
 *                       :       v           \      \            |  :
 * pending               :    (0,1,1) +--> (0,1,0)   \           |  :
 *                       :       | ^--'              |           |  :
 *                       :       v                   |           |  :
 * uncontended