RISCV——Spinlock锁的理解

目录

1. 原子操作

2. 锁是干嘛的

3. 锁的实现

1. 原子操作

        gcc从4.1.2开始提供了__sync_*系列的build-in函数，用于提供加减和逻辑运算的原子操作，主要接口的其声明如下：

• type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value, ...): 将value加到ptr上，结果更新到ptr，并返回操作之前*ptr的值
• type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value, ...):从ptr减去value，结果更新到ptr，并返回操作之前*ptr的值
• type __sync_fetch_and_or (type *ptr, type value, ...): 将ptr与value相或，结果更新到ptr， 并返回操作之前*ptr的值
• type __sync_fetch_and_and (type *ptr, type value, ...): 将ptr与value相与，结果更新到ptr，并返回操作之前ptr的值
• +type __sync_fetch_and_xor (type *ptr, type value, ...):将ptr与value异或，结果更新到ptr，并返回操作之前ptr的值
• type __sync_fetch_and_nand (type *ptr, type value, ...): 将ptr取反后，与value相与，结果更新到ptr，并返回操作之前ptr的值
• +type __sync_add_and_fetch (type *ptr, type value, ...):将value加到ptr上，结果更新到ptr，并返回操作之后新ptr的值
• type __sync_sub_and_fetch (type *ptr, type value, ...):从ptr减去value，结果更新到ptr，并返回操作之后新*ptr的值
• type __sync_or_and_fetch (type *ptr, type value, ...):将ptr与value相或， 结果更新到ptr，并返回操作之后新*ptr的值
• type __sync_and_and_fetch (type *ptr, type value, ...):将ptr与value相与，结果更新到ptr，并返回操作之后新*ptr的值
• type __sync_xor_and_fetch (type *ptr, type value, ...):将ptr与value异或，结果更新到ptr，并返回操作之后新ptr的值
• +type __sync_nand_and_fetch (type *ptr, type value, ...):将ptr取反后，与value相与，结果更新到ptr，并返回操作之后新ptr的值
• bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...):比较*ptr与oldval的值，如果两者相等，则将newval更新到*ptr并返回true
• type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...):比较ptr与oldval的值，如果两者相等，则将newval更新到ptr并返回操作之前*ptr的值
• __sync_synchronize (...):发出完整内存栅栏
• +type __sync_lock_test_and_set (type *ptr, type value, ...): 将value写入ptr，对ptr加锁，并返回操作之前*ptr的值。即，try spinlock语义
• void __sync_lock_release (type *ptr, ...)：将0写入到ptr，并对ptr解锁。即，unlock spinlock语义

2. 锁是干嘛的

锁解决的问题：为了并行中的正确性（共享数据一致性）

        多核处理器，多个CPU如果同时访问一些共享资源，可能会导致数据不一致，即共享数据用锁设置成多CPU分时访问。

锁带来的问题：并行变串行，效率降低

3. 锁的实现

上锁：

__sync_lock_test_and_set
    

通过原子操作赋值，也就是锁只能一方获取。

解锁：

__sync_lock_release

通过原子操作清0。

        锁的操作均是原子操作，但是实现锁的功能，还需要内存屏蔽功能，保证临界区的执行可靠性。某些平台的部分代码：

#define SPINLOCK_INIT \
    {                 \
        0             \
    }

#define CORELOCK_INIT          \
    {                          \
        .lock = SPINLOCK_INIT, \
        .count = 0,            \
        .core = -1             \
    }

/* Defination of memory barrier macro */
#define mb()                          \
    {                                 \
        asm volatile("fence" ::       \
                         : "memory"); \
    }

#define atomic_set(ptr, val) (*(volatile typeof(*(ptr)) *)(ptr) = val)
#define atomic_read(ptr) (*(volatile typeof(*(ptr)) *)(ptr))
#define atomic_get(ptr) (*(volatile typeof(*(ptr)) *)(ptr))

#ifndef __riscv_atomic
#error "atomic extension is required."
#endif
#define atomic_add(ptr, inc) __sync_fetch_and_add(ptr, inc)
#define atomic_sub(ptr, inc) __sync_fetch_and_sub(ptr, inc)
#define atomic_sub_return(ptr, inc) __sync_sub_and_fetch (ptr, inc)
#define atomic_or(ptr, inc) __sync_fetch_and_or(ptr, inc)
#define atomic_swap(ptr, swp) __sync_lock_test_and_set(ptr, swp)
#define atomic_cas(ptr, cmp, swp) __sync_val_compare_and_swap(ptr, cmp, swp)

typedef struct _spinlock
{
    int lock;
} spinlock_t;

typedef struct _semaphore
{
    spinlock_t lock;
    int count;
    int waiting;
} semaphore_t;

typedef struct _corelock
{
    spinlock_t lock;
    int count;
    int core;
} corelock_t;

static inline int spinlock_trylock(spinlock_t *lock)
{
    int res = atomic_swap(&lock->lock, -1);
    /* Use memory barrier to keep coherency */
    mb();
    return res;
}

static inline void spinlock_lock(spinlock_t *lock)
{
    while(spinlock_trylock(lock))
        ;
}

static inline void spinlock_unlock(spinlock_t *lock)
{
    /* Use memory barrier to keep coherency */
    mb();
    atomic_set(&lock->lock, 0);
    asm volatile("nop");
}