Linux中的spinlock机制 - CAS和ticket spinlock

为什么要加锁

在SMP系统中，如果仅仅是需要串行地增加一个变量的值，那么使用原子操作的函数（API）就可以了。但现实中更多的场景并不会那么简单，比如需要将一个结构体A中的数据提取出来，然后格式化、解析，再添加到另一个结构体B中，这整个的过程都要求是「原子的」，也就是完成之前，不允许其他的代码来读/写这两个结构体中的任何一个。

这时，相对轻量级的原子操作API就无法满足这种应用场景的需求了，我们需要一种更强的同步/互斥机制，那就是软件层面的「锁」的机制。

同步锁的「加锁」和「解锁」是放在一段代码的一前一后，成对出现的，这段代码被称为Critical Section/Region（临界区）。但锁保护的并不是这段代码本身，而是其中使用到的多核/多线程共享的变量，它「同步」(或者说串行化）的是对这个变量的访问，通俗的语义就是“我有你就不能有，你有我就不会有”。

Linux中主要有两种同步锁，一种是spinlock，一种是mutex。spinlock和mutex都既可以在用户进程中使用，也可以在内核中使用，它们的主要区别是前者不会导致睡眠和调度，属于busy wait形式的锁，而后者可能导致睡眠和调度，属于sleep wait形式的锁。

spinlock是最基础的一种锁，像后面将要介绍的rwlock(读写锁)，seqlock(读写锁)等都是基于spinlock衍生出来的。就算是mutex，它的实现与spinlock也是密不可分。因此，本系列文章将首先围绕spinlock展开介绍。

如何加锁

Linux中spinlock机制发展到现在，其实现方式的大致有3种。

【第一种实现 - 经典的CAS】

最古老的一种做法是：spinlock用一个整形变量表示，其初始值为1，表示available的状态。当一个CPU（设为CPU A）获得spinlock后，会将该变量的值设为0，之后其他CPU试图获取这个spinlock时，会一直等待，直到CPU A释放spinlock，并将该变量的值设为1。

那么其他的CPU是以何种形式等待的，如果有多个CPU一起等待，形成了竞争又该如何处理？这里要用到经典的CAS操作（Compare And Swap）。

• 谁和谁比较

目前，sh架构的Linux实现中还保留有这种经典的实现方法（相关代码位于/arch/sh/include/asm/spinlock-cas.h）。

static inline void arch_spin_lock(arch_spinlock_t *lock)
{
while (!__sl_cas(