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‘吉安市人’事人才网:【原创】Linux Mutex机制剖析

admin 科技 2020-05-05 51 0

靠山

  • Read the fucking source code! --By 鲁迅
  • A picture is worth a thousand words. --By 高尔基

『说明』:

  1. Kernel(版本):4.14
  2. ARM64处置器,Contex-A53,双核
  3. 使用工具:Source Insight 3.5, Visio

1. 概述

  • Mutex互斥锁是Linux内核中用于互斥操作的一种同步原语;
  • “互斥锁是一种休眠锁”,锁争用时可能存在历程的睡眠与叫醒,context的切换带来的价值较高,适用于加锁时间较长的场景;
  • 互斥锁每次只允许一个历程进入临界区[,有点类似于二值信号量;
  • 互斥锁在锁争用时,<在锁被持>有时,选择自选守候,而不立刻举行休眠,可以极大的提高性能,这种机制(optimistic spinning)“也应用到了读写信号量上”;
  • 互斥锁的瑕玷是互斥锁工具的<结构>较大,会占用更多的CPU缓存和内存空间;
  • 与信号量相比,互斥锁的性能与扩展性都更好,因此,在内核中总是会优先思量互斥锁;
  • 互斥锁按为了提高性能,【提供了三条路径处置】:快速路径,中速路径,慢速路径;

前戏都已经讲完了,来看看现实的实现历程吧。

2. optimistic spinning

2.1 MCS锁

  • 上文中提到过Mutex「在实现历程中」,采用了optimistic spinning‘自旋守候机制’,“这个机制的焦点就是基于”MCS【‘锁机制’】来实现的;
  • MCS【‘锁机制’】是由John Mellor CrummeyMichael Scott在论文中《algorithms for scalable synchronization on shared-memory multiprocessors》提出的,『并以他俩的名字来命名』;
  • MCS【‘锁机制’】要解决的问题是:“在多”CPU 系统中[,自旋锁都在同一个变量上举行自旋,〖在获取锁时会将包罗锁的〗cache line移动到内陆CPU,这种cache-line bouncing 会很[大水平影响性能;
  • MCS【‘锁机制’】的焦点头脑:每个CPU都分配一个自旋锁<结构>体,自旋锁的申请者(per-CPU)在local-CPU变量(上自旋),〖这些<结构>体组建成一个链表〗,申请者自旋守候前驱节点释放该锁;
  • osq(optimistci spinning queue)是基于MCS算法的一个详细实现,并经过了迭代优化;

2.2 osq<流程剖析>

optimistic spinning,乐观自旋,到底有多乐观呢?「当发现」锁被持有时,optimistic spinning信赖持有者很快就能把锁释放,因此它选择自旋守候,而不是“睡眠守候”, 这样也就能削[减历程切换带来的开销了。

“看一下”数据<结构>吧:

osq_lock如下:

  • osq加锁有几种情形:
    1. 无人持有锁,『那是最理想的状态』,直接返回;
    2. 有人持有锁,将当前的Node【加入到】OSQ(行列)中,在没有高优先级义务抢占时,自旋守候前驱节点释放锁;
    3. 自旋守候历程中,若是遇到高优先级义务抢占,那么需要做的事情就是将之前【加入到】OSQ(行列)中的当前节点,从OSQ【(行列)中移除】,移除的历程又分为三个步骤,分别是处置prev前驱节点的next‘指针指向’、当前节点Node的next‘指针指向’、“以及将”prev节点与next『后继节点毗邻』;
  • 加锁历程中使用了原子操作,〖来确保正确性〗;

osq_unlock如下:

  • (解锁时也分为几种情形):
    1. 无人争用该锁,【那直接】可以释放锁;
    2. 获取当前节点指向的下一个节点,若是下一个节点不为NULL,则将下一个节点解锁;
    3. 当前节点的下一个节点为NULL,则挪用osq_wait_next,来守候获取下一个节点,并在获取乐成后对下一个节点举行解锁;
  • 从解锁的情形可以看出,这个历程相当于锁的通报,{从上一个节点通报给下一}个节点;

在加锁和解锁的历程中,《由于可能存在操作来更改》osq(行列),因此都挪用了osq_wait_next来获取下一个确定的节点:

3. mutex

3.1 数据<结构>

终于来到了主题了,《先看》一下数据<结构>:

struct mutex {
	atomic_long_t		owner;           //原子计数,用于指向锁持有者的task struct<结构>
	spinlock_t		wait_lock;              //自旋锁,用于wait_list(链表的珍爱操)作
#ifdef CONFIG_MUTEX_SPIN_ON_OWNER
	struct optimistic_spin_queue osq; /* Spinner MCS lock */        //osq锁
#endif
	struct list_head	wait_list;          //链表,用于治理所有在该互斥锁上睡眠的历程
#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
	void			*magic;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
	struct lockdep_map	dep_map;
#endif
};

【在使】用mutex时,(有以下几)点需要注重的:

  • 一次只能有一个历程能持有互斥锁;
  • 只有锁的持有者能举行解锁操作;
  • 克制多次解锁操作[;
  • 克制递归加锁操作;
  • mutex<结构>只能通过API举行初始化;
  • mutex<结构>克制通过memset或者拷贝来举行初始化;
  • 已经被持有的mutex锁克制被再次初始化;
  • mutex不允许在硬件或软件上下文(tasklets, timer)中使用;

3.2 加锁<流程剖析>

mutex_lock加锁来看一下也许的流程:

  • mutex_lock为了提高性能,‘分为三种路径处置’,《优先使用快速和中速路径》来处置,若是条件不满足则会跳转到慢速路径来处置,慢速路径中会举行睡眠和调剂,因此开销也是最大的。

3.2.1 fast-path

  • 快速路径是在__mutex_trylock_fast中实现的,该函数的实现也很简单,直接挪用atomic_long_cmpxchg_release(&lock->owner, 0UL, curr)函数来举行判断,若是lock->owner == 0‘解释锁未被持有’,将curr赋值给lock->owner标识curr历程持有该锁,‘并直接返回’;
  • lock->owner不等于0,解释锁被持有,需要进入下一个路径来处置了;

3.2.2 mid-path

  • 中速路径和慢速路径的处置都是在__mutex_lock_common中实现的;
  • __mutex_lock_common 的传入参数为[(lock, TASK_INTERRUPTIBLE, 0, NULL, _RET_IP_, false),该函数中许多路径笼罩不到,接下来的剖析也会剔除掉无效代码;

中速路径的焦点代码如下:

  • 「当发现」mutex锁的持有者正在运行(另一个CPU)时,可以不举行睡眠调剂,而可以选择自选守候,当锁持有者正在运行时,它很有可能很快会释放锁,{这个就是乐观自}旋的缘故原由;

  • 自旋守候的条件是持有锁者正在临界区运行,{自旋守候才有价值};

  • __mutex_trylock_or_owner函数用于实验获取锁,若是获取失败则返回锁的持有者。互斥锁的<结构>体中owner字段,分为两个部门:1)锁持有者历程的task_struct(由于L1_CACHE_BYTES【对齐】,低位比特没有使用);2)MUTEX_FLAGS部门,也就是对应低三位,如下:

    1. MUTEX_FLAG_WAITERS:比特0,标识存在非空守候者链表,在解锁的时刻需要执行叫醒操作;
    2. MUTEX_FLAG_HANDOFF:比特1,解释解锁的时刻需要将锁通报给顶部的守候者;
    3. MUTEX_FLAG_PICKUP:比特2,解释锁的交接准备已经做完了,可以守候被取走了;
  • mutex_optimistic_spin“用于执行乐观自旋”,理想的情形下锁持有者执行完释放,当前历程就能很快的获取到锁。现实需要思量, 若是锁的持[有者若是在临界区被调剂出去了,task_struct->on_cpu == 0,‘那么需要竣事自旋守候了’,否则岂不是傻傻守候了。

    1. mutex_can_spin_on_owner:进入自旋前检查一下,若是当前历程需要调剂,或者锁的持有者已经被调剂出去了,那么直接就返回了,不需要做接下来的osq_lock/oqs_unlock工作了,《节约一些分外的》overhead;
    2. osq_lock《用于确保只有一个守候者介入进来自旋》,『防』止大量的守候者蜂拥而至来获取互斥锁;
    3. for(;;)自旋历程中挪用__mutex_trylock_or_owner(来实验获取锁),获取到后皆大欢喜,直接返回即可;
    4. mutex_spin_on_owner,判断不满足自旋守候的条件,那么返回,『让我们进入慢速路径吧』,究竟不能强求;

3.2.3 slow-path

慢速路径的主要代码流程如下:

  • for(;;)部门的流程可以看到,当没有获取到锁时,【会挪用】schedule_preempt_disabled将自己的义务举行切换出去,“睡眠守候”,这也是它慢的缘故原由了;

3.3 释放锁<流程剖析>

  • 释放锁的流程相对来说比较简单,也分为快速路径与慢速路径,快速路径只有在调试的时刻打开;
  • 慢速路径释放锁,针对三种差别的MUTEX_FLAG来举行判断处置,「并最终叫醒守候在该锁上」的义务;

参考

Generic Mutex Subsystem
MCS locks and qspinlocks

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