linux 2.6 互斥锁的实现-源码分析

http://blog.csdn.net/tq02h2a/article/details/4317211

看了看linux 2.6 kernel的源码，下面结合代码来分析一下在X86体系结构下，互斥锁的实现原理。

代码分析

1. 首先介绍一下互斥锁所使用的数据结构：
struct mutex {
 引用计数器
 1: 所可以利用。
 小于等于0：该锁已被获取，需要等待
 atomic_t  count;
 
 自旋锁类型，保证多cpu下，对等待队列访问是安全的。
 spinlock_t  wait_lock;
 
 等待队列，如果该锁被获取，任务将挂在此队列上，等待调度。
 struct list_head wait_list;
};

2. 互斥锁加锁函数
void inline __sched mutex_lock(struct mutex *lock)
调用了宏：
__mutex_fastpath_lock(&lock->count, __mutex_lock_slowpath);

宏的定义：
将mutex数据结构中，引用计数器减1，如果不为负数就返回，
如果为负数，需要调用函数：__mutex_lock_slowpath，接下来我们再来
分析这个函数，我们先来分析一下这个宏。
#define __mutex_fastpath_lock(count, fail_fn)   /
do {        /
 unsigned int dummy;     /
        /
 检查参数类型的有效性
 typecheck(atomic_t *, count);    /
 typecheck_fn(void (*)(atomic_t *), fail_fn);  /
        /
  输入，输出寄存器为eax,输入为count,输出为dummy,仅将eax的值减1
 asm volatile(LOCK_PREFIX "   decl (%%eax)/n"  /
       "   jns 1f /n"    /
       如果减后为负数，调用回调函数，尝试阻塞该进程
       "   call " #fail_fn "/n"   /
       "1:/n"     /
       : "=a" (dummy)    /
       : "a" (count)    /
       : "memory", "ecx", "edx");   /
} while (0)

3. 回调函数
static noinline int __sched __mutex_lock_killable_slowpath(atomic_t *lock_count)
{
  通过结构的成员地址，获取该结构地址
 struct mutex *lock = container_of(lock_count, struct mutex, count);

该函数在后面做详细介绍
 return __mutex_lock_common(lock, TASK_KILLABLE, 0, _RET_IP_);
}

4. 阻塞进程真正获取锁的地方
static inline int __sched
__mutex_lock_common(struct mutex *lock, long state, unsigned int subclass,
         unsigned long ip)
{
  获取当前进程的task_struct的地址
 struct task_struct *task = current;
 struct mutex_waiter waiter;
 unsigned int old_val;
 unsigned long flags;

对该锁上的等待队列加自旋锁，防止多个CPU的情况。
 spin_lock_mutex(&lock->wait_lock, flags);

将该任务添加到该锁的等待队列上
 list_add_tail(&waiter.list, &lock->wait_list);
 waiter.task = task;
 
 用一条汇编指令对count进行付值，lock->count=-1,保证该操作在一个cpu上是原子的
 old_val = atomic_xchg(&lock->count, -1);
 如果lock->count之前的值为1，说明是可以获取锁的
 if (old_val == 1)
  goto done;

lock_contended(&lock->dep_map, ip);

for (;;) {
  在这个地方，又尝试去获取锁，处理方式如上。
  old_val = atomic_xchg(&lock->count, -1);
  if (old_val == 1)
   break;

如果该进程是可中断的，或者该进程是可kiilable的，如果有信号
  被递送到该任务，那么该进程将从等待队列中移除
  if (unlikely((state == TASK_INTERRUPTIBLE &&
     signal_pending(task)) ||
         (state == TASK_KILLABLE &&
     fatal_signal_pending(task)))) {
   mutex_remove_waiter(lock, &waiter,
         task_thread_info(task));
   mutex_release(&lock->dep_map, 1, ip);
   spin_unlock_mutex(&lock->wait_lock, flags);

debug_mutex_free_waiter(&waiter);
   返回被信号中断
   return -EINTR;
  }
  __set_task_state(task, state);

如果还不能获取所，则将自旋锁解除，当从schedule返回时再次获取自旋锁，
  重复如上操作。
  spin_unlock_mutex(&lock->wait_lock, flags);
  schedule();
  spin_lock_mutex(&lock->wait_lock, flags);
 }

表示已经获取了锁
done:
 lock_acquired(&lock->dep_map);
将该任务从等待队列中删除
 mutex_remove_waiter(lock, &waiter, task_thread_info(task));
 debug_mutex_set_owner(lock, task_thread_info(task));

如果等待队列为空将lock->count置为0
 if (likely(list_empty(&lock->wait_list)))
  atomic_set(&lock->count, 0);

spin_unlock_mutex(&lock->wait_lock, flags);

debug_mutex_free_waiter(&waiter);

return 0;
}

5. 解锁过程
void __sched mutex_unlock(struct mutex *lock)
{
 解锁后lock->count将从0变为1
 __mutex_fastpath_unlock(&lock->count, __mutex_unlock_slowpath);
}

该宏是对引用计数器实行加1操作，如果加后小于等于0，说明该等待队列
上还有任务需要获取锁。调用__mutex_unlock_slowpath函数。
#define __mutex_fastpath_unlock(count, fail_fn)   /
do {        /
 unsigned int dummy;     /
        /
 typecheck(atomic_t *, count);    /
 typecheck_fn(void (*)(atomic_t *), fail_fn);  /
        /
 asm volatile(LOCK_PREFIX "   incl (%%eax)/n"  /
       "   jg 1f/n"    /
       "   call " #fail_fn "/n"   /
       "1:/n"     /
       : "=a" (dummy)    /
       : "a" (count)    /
       : "memory", "ecx", "edx");   /
} while (0)

该函数调用了__mutex_unlock_slowpath函数。
static noinline void
__mutex_unlock_slowpath(atomic_t *lock_count)
{
 __mutex_unlock_common_slowpath(lock_count, 1);
}

static inline void
__mutex_unlock_common_slowpath(atomic_t *lock_count, int nested)
{
  通过结构的成员地址，获取该结构地址
 struct mutex *lock = container_of(lock_count, struct mutex, count);
 unsigned long flags;

为等待队列加自旋锁
 spin_lock_mutex(&lock->wait_lock, flags);
 mutex_release(&lock->dep_map, nested, _RET_IP_);
 debug_mutex_unlock(lock);

if (__mutex_slowpath_needs_to_unlock())
  atomic_set(&lock->count, 1);

先看看等待队列是不是为空了，如果已经为空，不需要做任何处理，否则
 将该等待队列上面的队首进程唤醒
 if (!list_empty(&lock->wait_list)) {
  struct mutex_waiter *waiter =
    list_entry(lock->wait_list.next,
        struct mutex_waiter, list);

debug_mutex_wake_waiter(lock, waiter);

wake_up_process(waiter->task);
 }

debug_mutex_clear_owner(lock);

spin_unlock_mutex(&lock->wait_lock, flags);
}

总结：互斥锁的实现，实际上就是一把锁维护了一个等待队列和一个引用计数器，当获取锁
之前，先对引用计数器减1操作，如果为非负，则可以获取锁进入临界区。否则需要将该任务
挂在该等待对列上。