1 引言
使用最广泛的同步技术就是加锁。对于锁概念，我相信大家已经不陌生了，不论是实时嵌入式系统还是服务器上的操作系统，都使用了这个概念。所以对于锁的理解就不再赘述了。
自旋锁是设计用来在多核系统中工作的一种特殊锁。如果内核控制路径发现自旋锁空闲，则申请加锁然后执行。相反，如果发现锁已经被其它CPU上的内核控制路径占用，它就会一直自旋，就是在循环查看锁是否已经释放，直到该锁被释放。
自旋锁的自旋过程就是一个忙等待的过程。也就是说，正在等待的内核控制路径正在浪费时间，因为什么也不干。但是，大部分的内核资源加锁的时间可能仅为毫秒的几分之一，因此，释放CPU使用权再获取可能比一直等待更消耗时间。所以，自旋锁使用的场合就是，内核资源的占用时间一般比较短，且是多核系统的时候。
2 自旋锁结构实现
Linux内核系统中，自旋锁spinlock_t的实现主要使用了raw_spinlock_t结构，这个结构的实现，参考下面的代码：
typedef struct raw_spinlock {
arch_spinlock_t raw_lock;
#ifdef CONFIG_GENERIC_LOCKBREAK
unsigned int break_lock;
#endif
...
} raw_spinlock_t;
typedef struct spinlock {
union {
struct raw_spinlock rlock;
...
};
} spinlock_t;上面的代码中，核心的数据成员是raw_lock和break_lock。对于raw_lock来说，其类型为arch_spinlock_t，从名称上也能看出，这个结构是跟体系结构相关的。
- raw_lock 表示自旋锁的状态，依赖于具体的架构实现。
- break_lock 标志着进程正在忙等待锁（仅当内核同时支持SMP和内核抢占时才会出现）。
接下来，我们分析加锁的流程。
3 spin_lock()函数
本章我们直接看源代码，用函数出现的顺序表示函数调用的顺序。首先，看加锁的函数为:
代码语言：javascript复制static __always_inline void spin_lock(spinlock_t *lock)
{
raw_spin_lock(&lock->rlock);
}raw_spin_lock函数的代码如下：
#define raw_spin_lock(lock) _raw_spin_lock(lock)_raw_spin_lock函数分为2个版本：SMP版本和UP版本。
3.1 UP版本实现
_raw_spin_lock函数：
#define _raw_spin_lock(lock) __LOCK(lock)__LOCK函数代码如下：
#define __LOCK(lock)
do { preempt_disable(); ___LOCK(lock); } while (0)可以看出，首先禁止内核抢占。然后调用
代码语言：javascript复制#define ___LOCK(lock)
do { __acquire(lock); (void)(lock); } while (0)从上面的代码可以看出，单核系统没有处于debug状态时，没有真正的锁在运行。因此，就是禁止了内核抢占。至于void是避免编译器对未使用的锁变量发出警告。__acquire(lock)就是给检查器（CHECKER）添加适当的注释。真正的定义就是# define __acquire(x) (void)0。
3.2 SMP版本实现
_raw_spin_lock函数：
static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)
{
// 禁止内核抢占
preempt_disable();
// debug用
spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_);
// 真正申请锁的地方
LOCK_CONTENDED(lock, do_raw_spin_trylock, do_raw_spin_lock);
}LOCK_CONTENDED是一个通用的加锁流程。do_raw_spin_trylock和do_raw_spin_lock的实现依赖于具体的体系结构，以x86为例，do_raw_spin_trylock最终调用的是：
static inline int do_raw_spin_trylock(raw_spinlock_t *lock)
{
return arch_spin_trylock(&(lock)->raw_lock);
}arch_spin_trylock函数的实现依赖于具体的体系架构，以X86为例，代码如下：
typedef struct arch_spinlock {
union {
__ticketpair_t head_tail;
struct __raw_tickets {
__ticket_t head, tail; // 注意，x86使用的是小端模式，存在高地址空间的是tail
} tickets;
};
} arch_spinlock_t;
static __always_inline int arch_spin_trylock(arch_spinlock_t *lock)
{
arch_spinlock_t old, new;
// 获取旧的ticket信息
old.tickets = READ_ONCE(lock->tickets);
// head和tail不一致，说明锁正在被占用，加锁不成功
if (!__tickets_equal(old.tickets.head, old.tickets.tail))
return 0;
// 将tail 1
new.head_tail = old.head_tail (TICKET_LOCK_INC << TICKET_SHIFT);
new.head_tail &= ~TICKET_SLOWPATH_FLAG;
/* cmpxchg是一个完整的内存屏障 */
return cmpxchg(&lock->head_tail, old.head_tail, new.head_tail) == old.head_tail;
}从上述代码中可知，arch_spin_trylock的核心功能，就是判断自旋锁是否被占用，如果没被占用，尝试原子性地更新lock中的head_tail的值，将tail 1，返回是否加锁成功。
不考虑CONFIG_DEBUG_SPINLOCK宏的话，do_raw_spin_lock的源代码如下：
static inline void do_raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock) __acquires(lock)
{
__acquire(lock);
arch_spin_lock(&lock->raw_lock);
}arch_spin_lock函数的源代码：
static __always_inline void arch_spin_lock(arch_spinlock_t *lock)
{
register struct __raw_tickets inc = { .tail = TICKET_LOCK_INC };
// 原子性地把ticket中的tail 1，返回的inc是 1之前的原始值
inc = xadd(&lock->tickets, inc);
if (likely(inc.head == inc.tail))
goto out;
for (;;) {
unsigned count = SPIN_THRESHOLD;
do {
// 读取新的head值
inc.head = READ_ONCE(lock->tickets.head);
if (__tickets_equal(inc.head, inc.tail))
goto clear_slowpath;
cpu_relax();
} while (--count);
__ticket_lock_spinning(lock, inc.tail);
}
// 循环直到head和tail相等
clear_slowpath:
__ticket_check_and_clear_slowpath(lock, inc.head);
out:
barrier(); /* make sure nothing creeps before the lock is taken */
}__ticket_check_and_clear_slowpath函数执行的操作是把tail加1，并把之前的值记录下来，完成加锁操作。
static inline void __ticket_check_and_clear_slowpath(arch_spinlock_t *lock,
__ticket_t head)
{
if (head & TICKET_SLOWPATH_FLAG) {
arch_spinlock_t old, new;
old.tickets.head = head;
new.tickets.head = head & ~TICKET_SLOWPATH_FLAG;
old.tickets.tail = new.tickets.head TICKET_LOCK_INC;
new.tickets.tail = old.tickets.tail;
/* try to clear slowpath flag when there are no contenders */
cmpxchg(&lock->head_tail, old.head_tail, new.head_tail);
}
}至此，就完成了申请锁的操作。接下来我们再来研究一下，解锁流程。
4. spin_unlock函数
对于SMP架构来说，spin_unlock最终调用的是__raw_spin_unlock，其源代码如下：
static inline void __raw_spin_unlock(raw_spinlock_t *lock)
{
spin_release(&lock->dep_map, 1, _RET_IP_);
do_raw_spin_unlock(lock); // 完成主要的解锁工作
preempt_enable(); // 启动抢占
}
static inline void do_raw_spin_unlock(raw_spinlock_t *lock) __releases(lock)
{
arch_spin_unlock(&lock->raw_lock);
__release(lock);
}arch_spin_unlock函数的代码如下：
static __always_inline void arch_spin_unlock(arch_spinlock_t *lock)
{
if (TICKET_SLOWPATH_FLAG &&
static_key_false(¶virt_ticketlocks_enabled)) {
__ticket_t head;
BUILD_BUG_ON(((__ticket_t)NR_CPUS) != NR_CPUS);
// 主要内容：将head 1；所以现在head>tail表示锁又空闲了。
head = xadd(&lock->tickets.head, TICKET_LOCK_INC);
if (unlikely(head & TICKET_SLOWPATH_FLAG)) {
head &= ~TICKET_SLOWPATH_FLAG;
__ticket_unlock_kick(lock, (head TICKET_LOCK_INC));
}
} else
__add(&lock->tickets.head, TICKET_LOCK_INC, UNLOCK_LOCK_PREFIX);
}所以，解锁的过程就是将head和tail不相等，且重新使能内核抢占的过程。
