【Linux应用与驱动开发】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。本文详细介绍了排队自旋锁的设计原理和具体实现，并与 操作系统采用的类似技术进行比较。最后讨论可能的扩展排队自旋锁的一些想法。
引言
自旋锁(Spinlock)是一种 Linux 内核中广泛运用的底层同步机制。自旋锁是一种工作于多处理器环境的特殊的锁，在单处理环境中自旋锁的操作被替换为空操作。当某个处理器上的内核执行线程申请自旋锁时，如果锁可用，则获得锁，然后执行临界区操作，最后释放锁；如果锁已被占用，线程并不会转入睡眠状态，而是忙等待该锁，一旦锁被释放，则第一个感知此信息的线程将获得锁。
长期以来，人们总是关注于自旋锁的和高效，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(FIFO Ticket Spinlock)是 Linux 内核 2.6.25 版本引入的一种新型自旋锁，它通过保存执行线程申请锁的顺序信息解决了传统自旋锁的“不公平”问题。排队自旋锁的代码由 Linux 内核开发者 Nick Piggin 实现，目前只针对 x86 体系结构(包括 IA32 和 x86_64)，相信很快就会被移植到其它平台。
传统自旋锁的实现与不足
Linux 内核自旋锁的底层数据结构 raw_spinlock_t 定义如下：
typedef struct {
    unsigned int slock;
} raw_spinlock_t;
slock虽然被定义为无符号整数，但是实际上被当作有符号整数使用。slock值为1代表锁未被占用，值为0或负数代表锁被占用。初始化时slock被置为1。
线程通过宏 spin_lock 申请自旋锁。如果不考虑内核抢占，则 spin_lock 调用 __raw_spin_lock 函数，代码如下所示：
static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)
{
asm volatile("\n1:\t"
    LOCK_PREFIX " ; decb %0\n\t"
    "jns 3f\n"
    "2:\t"
    "rep;nop\n\t"
    "cmpb $0,%0\n\t"
    "jle 2b\n\t"
    "jmp 1b\n"
    "3:\n\t"
    : "+m" (lock->