Windows 自旋锁分析

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#内核 #同步 #自旋锁

本文介绍了Windows内核模式下的自旋锁（spinlock）机制，主要用于同步并发操作的共享数据和资源。自旋锁适用于SMP机器，通过KeAcquireInStackQueuedSpinLock等函数实现公平的锁获取。使用自旋锁需遵循特定规则，如保护非分页内存、快速释放等。在单核系统中，自旋锁效果有限，但在多核系统中能有效提高效率。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

1、  自旋锁（spinlock）

自旋锁（KSPIN_LOCK）只能用于内核模式的同步机制，定义为KSPIN_LOCK，自旋锁可以应用于IRQL>=DISPATCH_LEVEL保护并发操作的共享数据和资源的SMP（对称多处理器）机器上。

包括驱动在内的很多组件都会使用自旋锁，例如：大部分文件系统的驱动中会使用互锁工作队列用来存放文件系统工作线程和FSD（file system driver）的IRP，该队列通过一个执行自旋锁保护，用来解决FSD试图插入IRP的同时其它线程请求删除IRP。

XP及XP以后的系统可以使用KeAcquireInStackQueuedSpinLock和KeReleaseInStackQueuedSpinLock去请求和释放队列自旋锁。队列自旋锁可以保证在多处理器机器上，先到先获取spinlock。

对于简单的数据结构，可以使用ExInterlockedXxx函数保证数据的原子操作，使用这类函数的操作不需要使用自旋锁。

在驱动中根据以下原则使用自旋锁：

1）  保护的数据必须是非分页内存

2）  需要调用KeInitializeSpinLock去初始化自旋锁

3）  在合适的IRQL使用自旋锁，执行自旋锁<=DISPATCH_LEVEL，中断自旋锁<=DIRQL

4）  执行的过程要尽量快，没有程序可以保持一个自旋锁超过25ms

5）  不要在执行以下操作的时候保持自旋锁状态：

Ø 导致硬件异常或者提升软件异常

Ø 尝试访问分页内存

Ø 使用递归导致死锁或者保持自旋锁时间超过25ms

Ø 尝试请求另外一个自旋锁有可能会导致死锁

Ø 调用违反上述规则的函数

 

对于32位系统KeAcquireSpinLock函数分析：

可以通过wdm.h文件了解到

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C++ 自旋锁（Spinlock）的性能调优：CPU 缓存与退避策略
weixin_41455464的博客
07-09 614
简单的说，如果一个核心修改了某个数据，其他核心的缓存中对应的缓存行就会失效，需要重新从内存或者其他核心的缓存中加载数据。在多线程编程中，自旋锁是一种锁机制，当一个线程试图获取一个已经被其他线程持有的锁时，它不会立即进入睡眠状态，而是不断地循环检查锁是否释放，直到获取到锁为止。在自旋锁的场景下，如果锁变量和其他变量位于同一个缓存行中，当一个线程持有锁时，其他线程自旋等待，不断地读取锁变量，这会导致缓存行频繁失效，造成严重的性能问题。在实际应用中，一定要进行充分的测试，才能找到最佳的自旋锁配置。
鸿蒙内核源码分析(互斥锁篇) | 互斥锁比自旋锁丰满多了
m0_70748458的博客
06-20 971
图中是内核有关模块对互斥锁初始化,有文件,有内存,用消息队列等等,使用面非常的广.其实在给内核源码加注的过程中,会看到大量的自旋锁和互斥锁,它们的存在有序的保证了内核和应用程序的正常运行.是非常基础和重要的功能.
Windows驱动编程视频教程 提升IRQ与自旋锁
08-19
Windows驱动编程视频教程 详尽的讲解 里面还有屏幕录制的录像
Windows 自旋锁分析(一)
zacklin的专栏
04-10 3902
自旋锁是一种在内核定义，只能在内核态下使用的同步机制。自旋锁用来保护共享数据或者资源，使得并发执行的程序或者在高优先级IRQL的对称多处理器的程序能够正确访问这些数据。分析Windows自旋锁，首先需要介绍Windows的IRQL。   1 Interrupt Request Level(IRQL)介绍 IRQL是Interrupt RequestLevel，中断请求级别。一个由window
WINDOWS 自旋锁分析(二)
hutao1101175783的专栏
04-07 730
3 KeAcquireSpinLockAtDpcLevel的实现机制 MSDN上说明调用KeAcquireSpinLockAtDpcLevel的程序必须运行在DISPATCH_LEVEL上。 在多核处理器（Windows2003）下 先来查看一下KeAcquireSpinLockAtDpcLevel的汇编代码 nt!KeAcquireSpinLockAtDpcLevel: mov ecx,dword ptr [esp+4] nt!KeAcquireSpinLockAtDpcLevel+0x4 lock
WINDOWS 自旋锁分析(完结)
hutao1101175783的专栏
04-15 534
8，自旋锁性能分析 John M. Mellor-Crummey和Michael L. Scott的文章 "Algorithms for scalable synchronization on shared-memory multiprocessors"介绍了五种自旋锁的实现算法并进行了详细的性能分析。 1,Simple test_and_set lock 2,Ticket lock 3,Anderson’s array-based queueing lock 4,Graunke and Thakk.
Windows 自旋锁分析(四)
zacklin的专栏
04-10 1556
5，KeAcquireInStackQueuedSpinLock的实现机制   在单核处理器（WindowsXP）下 观察KeAcquireInStackQueuedSpinLock的实现 hal!KeAcquireInStackQueuedSpinLock:    mov    eax,dword ptr ds:[FFFE0080h]    shr     eax,4     mo
鸿蒙内核源码分析——(自旋锁篇)
m0_70748458的博客
06-20 853
自旋锁顾名思义，是一把自动旋转的锁，这很像厕所里的锁，进入前标记是绿色可用的，进入格子间后，手一带，里面的锁转个圈，外面标记变成了红色表示在使用，外面的只能等待.这是形象的比喻，但实际也是如此.
WINDOWS 自旋锁分析(五)
hutao1101175783的专栏
04-07 434
6，KeAcquireInStackQueuedSpinLockAtDpcLevel的实现机制 在单核(WinXP)下，KeAcquireInStackQueuedSpinLockAtDpcLevel直接返回。 在多核(Windows2003)下，KeAcquireInStackQueuedSpinLockAtDpcLevel 与KeAcquireInStackQueuedSpinLock比较除了不提升IRQL外，其他都是一样的。 7，KeAcquireInterruptSpinLock..
windows 多线程 之自旋锁（spinlock）
zhaishengfu的专栏
05-12 5704
我的上一篇文章介绍了原子性的概念，那么多线程之中就要防止
自旋锁操作 spin_lock
12-11
自旋锁操作 spin_lock 这里给出了一个示例程序和编译方法，大家可以在运行中体验自旋锁的操作。 后续还有些函数的使用说明。
windows驱动 - 自旋锁
qq726232111的博客
12-21 500
0x00 文档 https://docs.microsoft.com/en-us/windows-hardware/drivers/kernel/introduction-to-spin-locks 0x01 相关函数 KeDelayExecutionThread 在指定的时间间隔内将当前线程置于可报警或不可报警的等待状态(sleep) KeDelayExecutionThread(KernelMode, 0, ( 10^-6)*10 ); KeInitializeSpinLock...
明明白白自旋锁
多媒体编程、网络编程、系统编程、网络安全编程、驱动编程
07-14 799
一、自旋锁是什么？  先进行下简单科普，自旋锁是一种轻量级的多处理器间的同步机制。因此，自旋锁对于单处理器是没有实际意义的。它要求持有锁的处理器所占用的时间尽可能短，因为此时别的处理器正在高速运转并等待锁的释放，所以不能长时间占有。  曾经有个经典的例子来比喻自旋锁：A，B两个人合租一套房子，共用一个厕所，那么这个厕所就是共享资源，且在任一时刻最多只能有一个人在使用。当厕所闲置时，谁来了都可以
windows 自旋锁的实现
weixin_43751677的博客
12-20 283
【代码】windows 自旋锁的实现。
自旋锁
lizhihaoweiwei的专栏
09-10 893
自旋锁 本来就只是一个很简单的同步机制,在SMP之前根本就没这个东西,一切都是Event之类的同步机制,这类同步机制都有一个共性就是 一旦资源被占用都会产生任务切换,任务切换涉及很多东西的(保存原来的上下文,按调度算法选择新的任务,恢复新任务的上下文,还有就是要修改cr3寄存器会导致cache失效)这些都是需要大量时间的,因此用Event之类来同步一旦涉及到阻塞代价是十分昂贵的 比如 我用一个E
整理关于Windows自旋锁实现
lixiangminghate的专栏
03-30 1918
结合前面从IRQ到IRQL(APIC版) 和Windows 自旋锁分析(一)  可以知道HalBeginSystemInterrupt通过用IRQL做索引在HalpIRQLtoTPR数组中获取该IRQL对应的任务优先级， 用该优先级设置任务优先级寄存器TPR， 并把TPR中原先的任务优先级/16做为索引在HalpVectorToIRQL数组中获取对应的原先的IRQL然后返回。 观察K
操作系统之自旋锁
IT民工
05-28 923
自旋锁相关知识 自旋锁的功能以及使用方法和互斥锁极为相似。自旋锁与互斥锁的主要区别在于，当执行加锁操作时，如果当前锁不可用，对于自旋锁来说，则阻塞后不会让出cpu，会一直忙等待，直到得到锁。而对于互斥锁来说，阻塞后休眠让出cpu。 由于自旋锁不会睡眠，自旋锁一直占用cpu，在未获得锁的情况下，一直运行，所以占用着cpu，如果不能在很短的时间内获得锁，这无疑会使CPU效率降低。因此，自旋锁通常用于驱动程序开发中，适合对短暂处理的资源进行加锁。 注意：在单处理器环境下，我们是不需要自旋锁，尽管调用了自旋锁的函数
Windows 自旋锁分析(二)
zacklin的专栏
04-10 1450
3 KeAcquireSpinLockAtDpcLevel的实现机制 MSDN上说明调用KeAcquireSpinLockAtDpcLevel的程序必须运行在DISPATCH_LEVEL上。 在多核处理器（Windows2003）下 先来查看一下KeAcquireSpinLockAtDpcLevel的汇编代码 nt!KeAcquireSpinLockAtDpcLevel:   mov
详细解释一下，什么是自旋锁
最新发布
07-15
<think>我们被要求解释自旋锁的概念、工作原理和应用场景，并参考了提供的引用内容。同时，我们需要在回答中自然地添加引用标识，并在最后生成相关问题。 自旋锁的定义： 自旋锁是一种同步机制，用于保护共享资源，避免多线程竞争。当一个线程尝试获取自旋锁时，如果锁已经被其他线程持有，那么该线程不会立即进入睡眠状态（阻塞），而是会循环检查（自旋）直到锁被释放。 工作原理： 1. 尝试获取锁：线程通过原子操作（如CAS）尝试获取锁。 2. 如果锁可用（未被持有），则获取锁并进入临界区。 3. 如果锁不可用，线程不会放弃CPU，而是循环检查锁的状态（自旋），直到锁被释放。 4. 当持有锁的线程完成临界区操作后，通过原子操作释放锁。 自旋锁的特点： - 忙等待：线程在等待锁时不会阻塞，而是占用CPU循环检查。 - 适用于短临界区：因为长时间自旋会浪费CPU资源。 - 在用户态实现：无需陷入内核，因此没有上下文切换的开销。 引用中的关键点： 引用[1]提到自旋锁是高效的轻量级同步机制，用于多线程资源竞争。 引用[2]说明自旋锁分为公平和非公平两种，非公平锁不保证先来先服务，公平锁通过队列保证顺序。 引用[3]指出自旋锁在获取锁时如果锁已被持有，则自旋等待，直到持有者释放锁。同时提到自旋锁可能存在的问题：死锁（如递归调用）和长时间自旋浪费CPU。 引用[4]强调自旋锁避免了进程上下文的调度开销，因此适用于线程阻塞时间很短的场合。同时指出单核单线程CPU不适合自旋锁（因为持有锁的线程无法运行），但现在的单核CPU通常支持多线程（超线程技术），所以这个问题有所缓解。 实现机制（以非公平自旋锁为例）： 通常使用一个原子变量（如整数或布尔值）表示锁的状态。例如，0表示空闲，1表示被占用。 获取锁： while (true) { if (原子操作将锁状态从0改为1成功) break; } 释放锁：将锁状态原子地设置为0。 应用场景： 1. 临界区操作非常短（如几条指令），且线程数不多于CPU核心数（避免其他线程无法释放锁）。 2. 内核中断处理程序（不能睡眠）。 3. 在用户态实现高性能的同步原语（如并发数据结构）。 注意事项： 1. 自旋锁在单核系统上需要配合抢占式调度使用（否则自旋线程会一直占用CPU，导致持有锁的线程无法运行）。 2. 自旋时间过长会浪费CPU资源，因此需要设置自旋上限或自适应自旋。 与互斥锁的区别： 互斥锁在获取锁失败时，线程会进入阻塞状态，让出CPU，直到锁被释放时被唤醒。这涉及上下文切换（用户态到内核态），开销较大，但等待期间不占用CPU。自旋锁则一直占用CPU，但避免了上下文切换。因此，对于短临界区，自旋锁效率更高；对于长临界区，互斥锁更合适。 根据以上分析，我们组织回答如下：</think>### 自旋锁详解：概念、原理与应用场景 #### 一、自旋锁的核心概念 自旋锁（Spinlock）是一种**轻量级线程同步机制**，用于解决多线程环境下的资源竞争问题。其核心特点是：当线程尝试获取锁失败时，不会立即进入阻塞状态，而是通过**循环检查（自旋）** 持续尝试获取锁，直到成功为止[^1][^3]。 数学描述： 设锁状态 $S \in \{0,1\}$，其中： - $S=0$ 表示锁空闲 - $S=1$ 表示锁被占用 线程获取锁的操作可表示为原子操作： $$\text{CAS}(S, 0, 1) = \begin{cases} \text{成功} & \text{if } S=0 \\ \text{自旋重试} & \text{if } S=1 \end{cases}$$ #### 二、工作原理与实现机制 ##### 1. 基本工作流程 ```mermaid graph TD A[线程尝试获取锁] --> B{锁是否空闲?} B -- 是 --> C[获取锁成功] B -- 否 --> D[CPU自旋等待] D --> B C --> E[执行临界区代码] E --> F[释放锁] ``` ##### 2. 关键实现技术 - **原子操作**：使用 CPU 原子指令（如 x86 的 `LOCK CMPXCHG`）确保锁状态修改的原子性[^1] - **内存屏障**：通过 `std::memory_order_acquire/release` 保证内存可见性 - **忙等待策略**：伪代码实现： ```cpp while (!atomic_compare_exchange_weak(&lock, 0, 1)) { // 自旋期间可插入CPU优化指令 __asm__ ("pause"); // x86架构优化 } ``` ##### 3. 公平性策略 - **非公平锁**（默认）：线程按运行时状态竞争，可能导致饥饿[^2] - **公平锁**：通过队列（如 MCS 锁）实现先进先出（FIFO）调度[^2] $$Q = \{T_1, T_2, ..., T_n\} \quad \text{(线程等待队列)}$$ #### 三、与互斥锁的关键区别 | 特性 | 自旋锁 | 互斥锁 | |--------------|----------------------------|----------------------------| | **等待方式** | 忙等待（CPU循环） | 阻塞等待（线程休眠） | | **开销** | 无上下文切换开销 | 需内核介入，开销较大 | | **适用场景** | 短临界区（通常 < 1μs） | 长临界区 | | **CPU使用** | 等待时占用CPU | 等待时不占用CPU | | **实现层级** | 用户态实现 | 需内核支持 | 数学效率对比： 设临界区执行时间 $t_c$，上下文切换时间 $t_s$ - 当 $t_c < t_s$ 时：自旋锁效率更高[^4] - 当 $t_c > t_s$ 时：互斥锁更优 #### 四、典型应用场景 1. **操作系统内核** - 中断处理程序（不可睡眠场景） - 短资源保护（如页表更新） 2. **高性能并发数据结构** ```cpp // 线程安全计数器 void increment() { spinlock_acquire(&lock); count++; // 短操作 spinlock_release(&lock); } ``` 3. **用户态高性能库** - Windows SRW Lock（轻型读写锁）[^4] - Linux futex 快速路径 4. **多核CPU环境** 要求：CPU核心数 ≥ 竞争线程数，避免死锁[^4] #### 五、局限性及解决方案 1. **CPU 空转问题** - 优化：自旋阈值（如 Linux 的 `ticket_spinlock`） - 方案：$$ \text{自旋} \times N \text{次} \rightarrow \text{切换为阻塞} $$ 2. **单核CPU限制** 单核单线程环境下易死锁（需禁用或配合抢占调度）[^4] 3. **优先级反转风险** 解决方案：优先级继承协议（如 Linux 的 `rt_mutex`） 4. **缓存抖动** 优化：队列自旋锁（如 MCS 锁）减少总线争用 #### 六、现代实现优化 1. **自适应自旋** 动态调整自旋时间： $$ T_{\text{spin}} = \alpha \times T_{\text{prev\_wait}} $$ 2. **层级锁** 减少缓存同步开销： ```c struct qnode { bool locked; struct qnode *next; } ``` 3. **硬件辅助** - Intel TSX（事务同步扩展） - ARM LDREX/STREX 指令 > **关键设计原则**：临界区执行时间应远小于线程切换时间（$t_c \ll t_s$），否则应选用互斥锁[^3][^4]。 ---
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