前言
📫作者简介：小明java问道之路，专注于研究计算机底层/Java/Liunx 内核，就职于大型金融公司后端高级工程师，擅长交易领域的高安全/可用/并发/性能的架构设计📫
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本文导读
Linux 内核读锁实现原理，描述自旋锁时，已经顺带描述了读写自旋锁，所以本节将不再描述自旋锁的读写锁实现。读者是否能想到，既然自旋锁有相关的读写锁实现，信号量也应该有呢？答案是一定的。所以可以到，读写锁实际上是在原有锁上进行优化读写的操作。下面讨论源码实现。
一、Linux 内核读写锁核心结构源码解读
定义一个结构体 rw_semaphore 代表读写信号量，然后义一宏定义表明读写信号量的偏移值。具体源码如下。
struct rw_semaphore{ // 符号长整型，看到long类型，读者就知道，这又是将一个long类型长度大小切割成不同部分来使用的 // 由于使用i38632位来作为例子，因此这里long为32位，同样我们分割为高16位和低16位来使用 signed long count; #define RWSEM UNLOCKED VALUE 0x0000 0000 // 无锁状态值为0 #define RWSEM_ACTIVE_BIAS 0x0000 0001 // 锁活动偏移值1 // 锁活动位数为4(4个16进制)*4(一个16进制等于4个二进制)=16，即2^16次方个锁位 #define RWSEM ACTIVE MASK Ox0000 ffff #define RWSEM_WAITING BIAS (-0x00010000) // 锁等待偏移量，即 0xffff 0000
#define RWSEM ACTIVE READ_BIAS RWSEM_ACTIVE_BIAS // 读锁偏移量
// 写锁偏移量0xffff0001 为负数 #define RWSEM ACTIVE WRITE BIAS (RWSEM_WAITING_BIAS+RWSEM_ACTIVE_BIAS) spinlock t wait_lock; // 保护等待链表的自旋锁 struct list_head wait_list; // 等待链表 };
//等待读写信号量的任务结构体 struct rwsem_waiter{ struct list_head list; struct task_struct *task; unsigned int flags; // 标志位声明为等待读锁还是写锁
#define RWSEM_WAITING_FOR_READ 0x00000001 #define RWSEM_WAITING_FOR_WRITE 0x00000002};
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二、Linux 内核读锁实现原理读写信号量初始化源码解读
读写信号量初始化时，将 count 初始化为 0，自旋锁也同时进行初始化，等待链表也相应地进行了初始化。
static inline void init_rwsem(struct rw_semaphore *sem) { sem->count =RWSEM_UNLOCKED_VALUE; // 初始值为0 spin_lock_init(&sem->wait_lock); // 初始化自旋锁 INIT_LIST_HEAD(&sem->wait_list); //初始化等待链表 }
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三、Linux 内核上读锁流程源码解读
我们先对 count 值原子性自增，如果成功则退出;否则应保存 ecx、edx，然后调用 rwsem_down_ read_failed 函数。
static inline void_down_read(struct rw_semaphore*sem) { _asm_volatile_( LOCK_PREFIX"incl (%%eax)" // 原子性自增 " js 2f" // 如果自增后的值小于0，即写锁小于0，则上锁失败，并跳到标号2处 "1:" LOCK_SECTION_START("") // 保存ecx、edx，然后调用rwsem_down_read_failed函数，最后恢复ecx、edx的值结束方法"2:" " pushl %%ecx" " pushl %%edx" " call rwsem_down_read failed" // 调用rwsem_down_read_failed 函数 " popl %%edx" " popl %%ecx" " jmp 1b" LOCK_SECTION END : "=m"(sem->count) : "a"(sem),"m"(sem->count) : "memory","cc");}
// 执行上读锁失败的逻辑struct rw semaphore *rwsem_down_read failed(struct rw_semaphore*sem) { // 创建等待节点 struct rwsem_waiter waiter; waiter.flags=RWSEM_WAITING FOR_READ; //RWSEM WAITING BIAS-RWSEM ACTIVE BIAS=> 0xffff0000-0x0000 0001=0x fffefff rwsem_down_failed_common(sem, &waiter, RWSEM WAITING BIAS-RWSEM ACTIVE BIAS); return sem;}
// 读写信号量共用逻辑，等待锁释放static inline struct rw semaphore*rwsem_down_failed_common(struct rw_semaphore *sem, struct rwsem waiter*waiter, signed long adjustment) { truct task_struct *tsk= current; //获取当前任务PCB signed long count; set_task_state(tsk,TASK_UNINTERRUPTIBLE); //设置任务为不可中断阻塞状态 // 上自旋锁 spin_lock(&sem->wait_lock); // 将PCB和等待节点关联 waiter->task=tsk; list_add_tail(&waiter->list，&sem->wait_list); // 将等待节点插入等待队列末尾处 count = rwsem_atomic_update(adjustment, sem); // 原子性更新sem中的count值
// 如果不再有活动的锁，那唤醒之前等待的任务，因为这里可能有其他任务已经释放了锁
if (!(count &RWSEM_ACTIVE_MASK)) sem=__rwsem_do_wake(sem，1); // 传入1，表明可以唤醒写者 // 释放自旋锁 spin_unlock(&sem->wait_lock); // 到这一步开始等待锁释放,如果等待者的等待标志位为0，则直接退出 for (;;){ if(!waiter->flags) break; //否则调用调度器调度其他任务执行 schedule(); set_task_state(tsk, TASK_UNINTERRUPTIBLE);//设置任务状态为不可中断等待 } //到这一步任务获得了锁，可直接修改任务状态为TASK_RUNNING tsk->state=TASK RUNNING; return sem;}
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四、Linux 内核释放读锁流程
这里先对 count 进行原子性减 1，如果有写任务正在等待锁释放，那么看看是否还有其他读线程执行操作，如果有，则退出;否则唤醒等待的写任务。
static inline void__up_read(struct rw_semaphore*sem){s32 tmp =-RWSEM ACTIVE READ BIAS; asm volatile// 原子性减1， 返回旧值LOCK_PREFIX" xadd %%edx，(%%eax)"// 如果小于0，那么有写任务在等待锁释放，将跳到标号为2处执行" js 2f" "1:"LOCK_SECTION_START("")"2:"// 对edx也就是上一步替换的lock值的低16位即 dx自减decw %%dx" // 如果不为0，则表明有其他任务在操作，可什么都不做，退出即可inz 1b" // 否则保存ecx，调用rwsem_wake唤醒等待的任务pushl %%eсx" call rwsem_wake" popl %%есx" jmp 1b" LOCK_SECTION_END"=m"(sem->count)， "=d"(tmp)"a"(sem), "1"(tmp), "m"(sem->count)"memory", "cc");}
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总结
Linux 内核读锁实现原理，描述自旋锁时，已经顺带描述了读写自旋锁，所以本节将不再描述自旋锁的读写锁实现。读者是否能想到，既然自旋锁有相关的读写锁实现，信号量也应该有呢？答案是一定的。所以可以到，读写锁实际上是在原有锁上进行优化读写的操作。
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