锁的种类

自旋锁(spinlock):无法获得锁,就一直循环获取,适合短时间的加锁

睡眠锁(sleeplock):为了防止长时间的循环等待,在获取不到锁时,进程陷入睡眠,当锁释放时对睡眠进程进行唤醒

自旋锁的实现

其实自旋锁的实现很简单,不过是一个状态量置1或者置0的操作

为了防止中断产生死锁以及编译器将临界区的指令重排到锁操作外,使用一些特殊指令

在修改状态量时,使用原子操作确保不会出现操作过程中,其他操作发生。

// 自旋锁的数据结构
// Mutual exclusion lock.
struct spinlock {
uint locked; // Is the lock held? // For debugging:
char *name; // Name of lock.
struct cpu *cpu; // The cpu holding the lock.
};
// 辅助函数
// Check whether this cpu is holding the lock.
// Interrupts must be off.
int
holding(struct spinlock *lk)
{
int r;
// 锁处于被持有状态并且持有cpu为当前cpu 返回 1(ture)
r = (lk->locked && lk->cpu == mycpu());
return r;
} // 加锁操作
// Acquire the lock.
// Loops (spins) until the lock is acquired.
void
acquire(struct spinlock *lk)
{
// 关中断
// 加解锁的流程中需要关闭中断
// 防止使用锁的过程中中断,而中断处理程序又需要锁,造成死锁
push_off(); // disable interrupts to avoid deadlock. // 判读当前cpu是否正在持有该锁
// 如果当前CPU在其他位置持有了这个锁,那么当前的加锁操作将永远无法完成
// 程序会阻塞在当前位置,并且其他位置持有锁的位置也无法释放
// 程序将进入死锁状态
if(holding(lk))
panic("acquire"); // __sync_lock_test_and_set(&lk->locked, 1)
// 加锁的原子操作,确保括号中的操作为原子操作,一般是使用CPU的特殊硬件指令实现
// 效果:如果lk->locked等于0,我们调用test-and-set将1写入locked字段,并且返回locked字段之前的数值0。
// 如果lk->locked等于1,则返回1 // On RISC-V, sync_lock_test_and_set turns into an atomic swap:
// a5 = 1
// s1 = &lk->locked
// amoswap.w.aq a5, a5, (s1)
while(__sync_lock_test_and_set(&lk->locked, 1) != 0)
; // __sync_synchronize()
// 从当前位置到下一个__sync_synchronize指令之间禁止指令重排
// 加锁和critical section的代码执行通常完全相互独立,它们之间没有任何关联
// 因此CPU和编译器极有可能将critical section代码置于锁之外
// 对于synchronize指令,任何在它之前的load/store指令,都不能移动到它之后
// Tell the C compiler and the processor to not move loads or stores
// past this point, to ensure that the critical section's memory
// references happen strictly after the lock is acquired.
// On RISC-V, this emits a fence instruction.
__sync_synchronize(); // Record info about lock acquisition for holding() and debugging.
lk->cpu = mycpu();
} // 释放锁的操作
// Release the lock.
void
release(struct spinlock *lk)
{
if(!holding(lk))
panic("release"); lk->cpu = 0; // Tell the C compiler and the CPU to not move loads or stores
// past this point, to ensure that all the stores in the critical
// section are visible to other CPUs before the lock is released,
// and that loads in the critical section occur strictly before
// the lock is released.
// On RISC-V, this emits a fence instruction.
__sync_synchronize(); // __sync_lock_release()
// 原子性的将lk->locked置0
// Release the lock, equivalent to lk->locked = 0.
// This code doesn't use a C assignment, since the C standard
// implies that an assignment might be implemented with
// multiple store instructions.
// On RISC-V, sync_lock_release turns into an atomic swap:
// s1 = &lk->locked
// amoswap.w zero, zero, (s1)
__sync_lock_release(&lk->locked); pop_off();
}
睡眠锁的实现
// 睡眠锁的数据结构
struct sleeplock {
uint locked; // Is the lock held?
struct spinlock lk; // spinlock protecting this sleep lock // For debugging:
char *name; // Name of lock.
int pid; // Process holding lock
};
void
acquiresleep(struct sleeplock *lk)
{
acquire(&lk->lk);
while (lk->locked) {
sleep(lk, &lk->lk);
}
lk->locked = 1;
lk->pid = myproc()->pid;
release(&lk->lk);
} void
releasesleep(struct sleeplock *lk)
{
acquire(&lk->lk);
lk->locked = 0;
lk->pid = 0;
wakeup(lk);
release(&lk->lk);
} // Atomically release lock and sleep on chan.
// Reacquires lock when awakened.
// sleep函数设置当前进程的chan(表示等待该chan的信息),
// 然后将进程设置为SLEEPING状态,放弃CPU,进入进程调度
// 被唤醒后,将继续执行sched()函数后面指令,将chan置空
void
sleep(void *chan, struct spinlock *lk)
{
struct proc *p = myproc(); // Must acquire p->lock in order to
// change p->state and then call sched.
// Once we hold p->lock, we can be
// guaranteed that we won't miss any wakeup
// (wakeup locks p->lock),
// so it's okay to release lk. acquire(&p->lock); //DOC: sleeplock1
release(lk); // Go to sleep.
p->chan = chan;
p->state = SLEEPING; sched(); // Tidy up.
p->chan = 0; // Reacquire original lock.
release(&p->lock);
acquire(lk);
} // Wake up all processes sleeping on chan.
// Must be called without any p->lock.
// wakeup函数将所有在当前chan等待的进程状态全部设置成RUNNABLE
void
wakeup(void *chan)
{
struct proc *p; for(p = proc; p < &proc[NPROC]; p++) {
if(p != myproc()){
acquire(&p->lock);
if(p->state == SLEEPING && p->chan == chan) {
p->state = RUNNABLE;
}
release(&p->lock);
}
}
}

为什么睡眠锁的实现需要使用自旋锁?

待续

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