從spin_lock到spin_lock_irqsave

Spinlock的目的是用來同步SMP中會被多個CPU同時存取的變量。在Linux中，普通的spinlock由於不帶額外的語義，使用起來反而要非常小心。 在Linux kernel中執行的代碼大體分normal和interrupt context兩種。tasklet/softirq可以歸爲normal因爲他們可以進入等待；nested interrupt是interrupt context的一種特殊情況，當然也是interrupt context。Normal級別可以被interrupt搶斷，interrupt會被另一個interrupt搶斷，但不會被normal中斷。各個 interrupt之間沒有優先級關係，只要有可能，每個interrupt都會被其他interrupt中斷。
我們先考慮單CPU的情況。在這樣情況下，不管在什麼執行級別，我們只要簡單地把CPU的中斷關掉就可以達到獨佔處理的目的。從這個角度來說，spinlock的實現簡單地令人乍舌：cli/sti。只要這樣，我們就關閉了preemption帶來的複雜之門。
單CPU的情況很簡單，多CPU就不那麼簡單了。單純地關掉當前CPU的中斷並不會給我們帶來好運。當我們的代碼存取一個shared variable時，另一顆CPU隨時會把數據改得面目全非。我們需要有手段通知它(或它們，你知道我的意思)——spinlock正爲此設。這個例子是我們的第一次嘗試：


extern spinlock_t lock;
// ...
spin_lock(&lock);
// do something
spin_unlock(&lock);
他能正常工作嗎？答案是有可能。在某些情況下，這段代碼可以正常工作，但想一想會不會發生這樣的事：
// in normal run level
extern spinlock_t lock;
// ...
spin_lock(&lock);
// do something
// interrupted by IRQ ...


// in IRQ
extern spinlock_t lock;
spin_lock(&lock);
喔，我們在normal級別下獲得了一個spinlock，正當我們想做什麼的時候，我們被interrupt打斷了，CPU轉而執行interrupt level的代碼，它也想獲得這個lock，於是“死鎖”發生了！解決方法很簡單，看看我們第二次嘗試：


extern spinlock_t lock;
// ...
cli; // disable interrupt on current CPU
spin_lock(&lock);
// do something
spin_unlock(&lock);
sti; // enable interrupt on current CPU
在獲得spinlock之前，我們先把當前CPU的中斷禁止掉，然後獲得一個lock;在釋放lock之後再把中斷打開。這樣，我們就防止了死鎖。事實上，Linux提供了一個更爲快捷的方式來實現這個功能:


extern spinlock_t lock;
// ...
spin_lock_irq(&lock);
// do something
spin_unlock_irq(&lock);
如果沒有nested interrupt，所有這一切都很好。加上nested interrupt，我們再來看看這個例子:


// code 1
extern spinlock_t lock;
// ...
spin_lock_irq(&lock);
// do something
spin_unlock_irq(&lock);
 


// code 2
extern spinlock_t lock;
// ...
spin_lock_irq(&lock);
// do something
spin_unlock_irq(&lock);
Code 1和code 2都運行在interrupt context下，由於中斷可以嵌套執行，我們很容易就可以想到這樣的運行次序：
 
Code 1                                   Code 2
extern spinlock_t lock;
// ...
spin_lock_irq(&lock);  
                                                extern spinlock_t lock;
                                                // ...
                                                spin_lock_irq(&lock);
                                                // do something
                                               spin_unlock_irq(&lock);
// do something
spin_unlock_irq(&lock);
問題是在第一個spin_unlock_irq後這個CPU的中斷已經被打開，“死鎖”的問題又會回到我們身邊！
解決方法是我們在每次關閉中斷前紀錄當前中斷的狀態，然後恢復它而不是直接把中斷打開。
unsigned long flags;
local_irq_save(flags);
spin_lock(&lock);
// do something
spin_unlock(&lock);
local_irq_restore(flags);
Linux同樣提供了更爲簡便的方式:
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&lock, flags);
// do something
spin_unlock_irqrestore(&lock, flags);