自旋鎖概念

何謂自旋鎖？它是為實(shí)現(xiàn)保護(hù)共享資源而提出一種鎖機(jī)制。其實(shí)，自旋鎖與互斥鎖比較類似，它們都是為了解決對(duì)某項(xiàng)資源的互斥使用。無論是互斥鎖，還是自旋鎖，在任何時(shí)刻，最多只能有一個(gè)保持者，也就說，在任何時(shí)刻最多只能有一個(gè)執(zhí)行單元獲得鎖。但是兩者在調(diào)度機(jī)制上略有不同。對(duì)于互斥鎖，如果資源已經(jīng)被占用，資源申請(qǐng)者只能進(jìn)入睡眠狀態(tài)。但是自旋鎖不會(huì)引起調(diào)用者睡眠，如果自旋鎖已經(jīng)被別的執(zhí)行單元保持，調(diào)用者就一直循環(huán)在那里看是否該自旋鎖的保持者已經(jīng)釋放了鎖，"自旋"一詞就是因此而得名。

跟互斥鎖一樣，一個(gè)執(zhí)行單元要想訪問被自旋鎖保護(hù)的共享資源，必須先得到鎖，在訪問完共享資源后，必須釋放鎖。如果在獲取自旋鎖時(shí)，沒有任何執(zhí)行單元保持該鎖，那么將立即得到鎖；如果在獲取自旋鎖時(shí)鎖已經(jīng)有保持者，那么獲取鎖操作將自旋在那里，直到該自旋鎖的保持者釋放了鎖。由此我們可以看出，自旋鎖是一種比較低級(jí)的保護(hù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或代碼片段的原始方式，這種鎖可能存在兩個(gè)問題：

死鎖。試圖遞歸地獲得自旋鎖必然會(huì)引起死鎖：遞歸程序的持有實(shí)例在第二個(gè)實(shí)例循環(huán)，以試圖獲得相同自旋鎖時(shí)，不會(huì)釋放此自旋鎖。在遞歸程序中使用自旋鎖應(yīng)遵守下列策略：遞歸程序決不能在持有自旋鎖時(shí)調(diào)用它自己，也決不能在遞歸調(diào)用時(shí)試圖獲得相同的自旋鎖。此外如果一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)將資源鎖定，那么，即使其它申請(qǐng)這個(gè)資源的進(jìn)程不停地瘋狂“自旋”,也無法獲得資源，從而進(jìn)入死循環(huán)。

過多占用cpu資源。如果不加限制，由于申請(qǐng)者一直在循環(huán)等待，因此自旋鎖在鎖定的時(shí)候,如果不成功,不會(huì)睡眠,會(huì)持續(xù)的嘗試,單cpu的時(shí)候自旋鎖會(huì)讓其它process動(dòng)不了. 因此，一般自旋鎖實(shí)現(xiàn)會(huì)有一個(gè)參數(shù)限定最多持續(xù)嘗試次數(shù). 超出后, 自旋鎖放棄當(dāng)前time slice. 等下一次機(jī)會(huì)。

由此可見，自旋鎖比較適用于鎖使用者保持鎖時(shí)間比較短的情況。正是由于自旋鎖使用者一般保持鎖時(shí)間非常短，因此選擇自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋鎖的效率遠(yuǎn)高于互斥鎖。信號(hào)量和讀寫信號(hào)量適合于保持時(shí)間較長(zhǎng)的情況，它們會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因此只能在進(jìn)程上下文使用，而自旋鎖適合于保持時(shí)間非常短的情況，它可以在任何上下文使用。如果被保護(hù)的共享資源只在進(jìn)程上下文訪問，使用信號(hào)量保護(hù)該共享資源非常合適，如果對(duì)共享資源的訪問時(shí)間非常短，自旋鎖也可以。但是如果被保護(hù)的共享資源需要在中斷上下文訪問（包括底半部即中斷處理句柄和頂半部即軟中斷），就必須使用自旋鎖。自旋鎖保持期間是搶占失效的，而信號(hào)量和讀寫信號(hào)量保持期間是可以被搶占的。自旋鎖只有在內(nèi)核可搶占或SMP（多處理器）的情況下才真正需要，在單CPU且不可搶占的內(nèi)核下，自旋鎖的所有操作都是空操作。

上面簡(jiǎn)要介紹了自旋鎖的基本原理，以下將給出具體的例子，進(jìn)一步闡釋自旋鎖在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。上面我們已經(jīng)講過自旋鎖只有在內(nèi)核可搶占或SMP（多處理器）的情況下才真正需要，下面我們就以SMP為例，來說明為什么要使用自旋鎖，以及自旋鎖實(shí)現(xiàn)的基本算法。

在單處理機(jī)環(huán)境中可以使用特定的原子級(jí)匯編指令swap和test_and_set實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥，（Swap指令：交換兩個(gè)內(nèi)存單元的內(nèi)容；test_and_set指令取出內(nèi)存某一單元(位)的值，然后再給該單元(位)賦一個(gè)新值，關(guān)于為何這兩條指令能實(shí)現(xiàn)互斥我們不在贅述，讀者可以了解其算法） 這些指令涉及對(duì)同一存儲(chǔ)單元的兩次或兩次以上操作，這些操作將在幾個(gè)指令周期內(nèi)完成，但由于中斷只能發(fā)生在兩條機(jī)器指令之間，而同一指令內(nèi)的多個(gè)指令周期不可中斷，從而保證swap指令或test_and_set指令的執(zhí)行不會(huì)交叉進(jìn)行.

但在多處理機(jī)環(huán)境中情況有所不同，例如test_and_set指令包括“取”、“送”兩個(gè)指令周期，兩個(gè)CPU執(zhí)行test_and_set(lock)可能發(fā)生指令周期上的交叉，假如lock初始為0, CPU1和CPU2可能分別執(zhí)行完前一個(gè)指令周期并通過檢測(cè)(均為0)，然后分別執(zhí)行后一個(gè)指令周期將lock設(shè)置為1，結(jié)果都取回0作為判斷臨界區(qū)空閑的依據(jù)，從而不能實(shí)現(xiàn)互斥。

為在多CPU環(huán)境中利用test_and_set指令實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥，硬件需要提供進(jìn)一步的支持，以保證test_and_set指令執(zhí)行的原子性. 這種支持多以“鎖總線”(bus locking)的形式提供的，由于test_and_set指令對(duì)內(nèi)存的兩次操作都需要經(jīng)過總線，在執(zhí)行test_and_set指令之前鎖住總線，在執(zhí)行test_and_set指令后開放總線，即可保證test_and_set指令執(zhí)行的原子性，用法如下：

算法4-6：多處理機(jī)互斥算法（自旋鎖算法）

do{

b=1;

while(b){

lock(bus);

b = test_and_set(&lock);

unlock(bus);

}

臨界區(qū)

lock = 0;

其余部分

}while(1)

總之，自旋鎖是一種對(duì)多處理器相當(dāng)有效的機(jī)制，而在單處理器非搶占式的系統(tǒng)中基本上沒有作用。自旋鎖在SMP系統(tǒng)中應(yīng)用得相當(dāng)普遍。在許多SMP系統(tǒng)中，允許多個(gè)處理機(jī)同時(shí)執(zhí)行目態(tài)程序，而一次只允許一個(gè)處理機(jī)執(zhí)行操作系統(tǒng)代碼，利用一個(gè)自旋鎖可以很容易實(shí)現(xiàn)這種控制．一次只允許一個(gè)CPU執(zhí)行核心代碼并發(fā)性不夠高，若期望核心程序在多CPU之間的并行執(zhí)行，將核心分為若干相對(duì)獨(dú)立的部分，不同的CPU可以同時(shí)進(jìn)入和執(zhí)行核心中的不同部分，實(shí)現(xiàn)時(shí)可以為每個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域設(shè)置一個(gè)自旋鎖.

事實(shí)上，自旋鎖的初衷就是：在短期間內(nèi)進(jìn)行輕量級(jí)的鎖定。一個(gè)被爭(zhēng)用的自旋鎖使得請(qǐng)求它的線程在等待鎖重新可用的期間進(jìn)行自旋(特別浪費(fèi)處理器時(shí)間)，所以自旋鎖不應(yīng)該被持有時(shí)間過長(zhǎng)。如果需要長(zhǎng)時(shí)間鎖定的話, 最好使用信號(hào)量。

1自旋鎖實(shí)際上是忙等鎖

當(dāng)鎖不可用時(shí)，CPU一直循環(huán)執(zhí)行“測(cè)試并設(shè)置”該鎖直到可用而取得該鎖，CPU在等待自旋鎖時(shí)不做任何有用的工作，僅僅是等待。因此，只有在占用鎖的時(shí)間極短的情況下，使用自旋鎖才是合理的。當(dāng)臨界區(qū)很大或有共享設(shè)備的時(shí)候，需要較長(zhǎng)時(shí)間占用鎖，使用自旋鎖會(huì)降低系統(tǒng)的性能。

自旋鎖可能導(dǎo)致系統(tǒng)死鎖

引發(fā)這個(gè)問題最常見的情況是遞歸使用一個(gè)自旋鎖，即如果一個(gè)已經(jīng)擁有某個(gè)自旋鎖的CPU 想第二次獲得這個(gè)自旋鎖，則該CPU 將死鎖。此外，如果進(jìn)程獲得自旋鎖之后再阻塞，也有可能導(dǎo)致死鎖的發(fā)生。copy_from_user()、copy_to_user()和kmalloc()等函數(shù)都有可能引起阻塞，因此在自旋鎖的占用期間不能調(diào)用這些函數(shù)。代碼清單7.2 給出了自旋鎖的使用實(shí)例，它被用于實(shí)現(xiàn)使得設(shè)備只能被最多一個(gè)進(jìn)程打開。

自旋鎖的基本形式如下：

spin_lock(&mr_lock);

//臨界區(qū)

spin_unlock(&mr_lock);

因?yàn)樽孕i在同一時(shí)刻只能被最多一個(gè)內(nèi)核任務(wù)持有，所以一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)線程允許存在于臨界區(qū)中。這點(diǎn)很好地滿足了對(duì)稱多處理機(jī)器需要的鎖定服務(wù)。在單處理器上，自旋鎖僅僅當(dāng)作一個(gè)設(shè)置內(nèi)核搶占的開關(guān)。如果內(nèi)核搶占也不存在，那么自旋鎖會(huì)在編譯時(shí)被完全剔除出內(nèi)核。

簡(jiǎn)單的說，自旋鎖在內(nèi)核中主要用來防止多處理器中并發(fā)訪問臨界區(qū)，防止內(nèi)核搶占造成的競(jìng)爭(zhēng)。另外自旋鎖不允許任務(wù)睡眠(持有自旋鎖的任務(wù)睡眠會(huì)造成自死鎖——因?yàn)樗哂锌赡茉斐沙钟墟i的內(nèi)核任務(wù)被重新調(diào)度，而再次申請(qǐng)自己已持有的鎖)，它能夠在中斷上下文中使用。

死鎖：假設(shè)有一個(gè)或多個(gè)內(nèi)核任務(wù)和一個(gè)或多個(gè)資源，每個(gè)內(nèi)核都在等待其中的一個(gè)資源，但所有的資源都已經(jīng)被占用了。這便會(huì)發(fā)生所有內(nèi)核任務(wù)都在相互等待，但它們永遠(yuǎn)不會(huì)釋放已經(jīng)占有的資源，于是任何內(nèi)核任務(wù)都無法獲得所需要的資源，無法繼續(xù)運(yùn)行，這便意味著死鎖發(fā)生了。自死瑣是說自己占有了某個(gè)資源，然后自己又申請(qǐng)自己已占有的資源，顯然不可能再獲得該資源，因此就自縛手腳了。

1.如何將自旋電流從鐵磁電極S高效率地注入半導(dǎo)體？——這可利用“磁性半導(dǎo)體”來實(shí)現(xiàn)，這種半導(dǎo)體可通過較低電壓來控制它在非磁狀態(tài)和鐵磁狀態(tài)這兩種狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換（自旋開關(guān)），并且可用作為自旋過濾器（讓一種自旋狀態(tài)通過, 阻止另一種自旋狀態(tài)通過）。但是磁性半導(dǎo)體的制備尚不成熟。

2.半導(dǎo)體自旋電子器件對(duì)磁性半導(dǎo)體的基本要求是：電子的自旋極化狀態(tài)在穿越半導(dǎo)體或進(jìn)入另一種材料時(shí), 要能很好地保持不變, 即自旋極化喪失的速度要慢, 自旋電流的極化要能長(zhǎng)時(shí)間維持——自旋相干時(shí)間要長(zhǎng)。

自旋錨管是一種基于螺旋錨固技術(shù)基礎(chǔ)上新的全功能錨桿。

自旋錨管揚(yáng)棄傳統(tǒng)螺旋錨桿的大錨葉阻力結(jié)構(gòu)，采用連續(xù)小旋絲質(zhì)量分散中空結(jié)構(gòu)。在這種基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改變中空結(jié)構(gòu)或增加不同的鉆眼裝置就派生出一系列適應(yīng)于不同地質(zhì)和施工情況的全功能錨桿體系。自旋錨管能夠?qū)崿F(xiàn)樹脂錨桿、普通砂漿錨桿、中空注漿錨桿、自鉆錨桿、讓壓錨桿和噴漿錨桿的功能，特別適應(yīng)于松軟破碎巖土工程。

自旋錨管最大的優(yōu)點(diǎn)是在同等級(jí)抗拉能級(jí)錨桿的基礎(chǔ)上抗剪能力提高5倍以上。抗彎能力提高10倍以上，而且自旋錨管可以采用鉆錨一次完成的快速施工工藝。使得該品種錨桿能夠適應(yīng)于任何巖土地層。

自旋錨管現(xiàn)在已經(jīng)成為一個(gè)新的錨桿體系：Self-screwed Tube Bolting System(STBS"para" label-module="para">

1.1 工程范疇

自鉆、自旋、自錨固——任何地層都適應(yīng)

注漿、噴漿、旋噴漿——任何情況都有效

主要應(yīng)用到復(fù)雜邊坡、破碎圍巖隧道、煤礦巷道順槽、地鐵基坑工程或地下工程的明挖樁錨和暗挖超前支護(hù)領(lǐng)域，具有快速及時(shí)錨固和可回收的功能。

2 自旋錨管體系Self-screwed Tube Bolting System(STBS?)

（自旋錨管〓普通錨桿 自鉆錨桿 注漿錨桿）

2.1 自攻旋進(jìn)錨管Self-screwed Drilling Tube Bolt(SDTB?)

在巖體鉆孔中自攻旋進(jìn)安裝不使用錨固劑軟巖中錨固力50KN/m，在土層中無需鉆孔直接擠壓旋進(jìn)安裝錨固力20KN/m

創(chuàng)新點(diǎn)：土層中不鉆眼，不使用錨固劑的全長(zhǎng)錨固錨桿

優(yōu)點(diǎn)：成本低，施工速度快，擠壓強(qiáng)化土體結(jié)構(gòu)使土體承載力大大提高。

缺點(diǎn)：各項(xiàng)參數(shù)配合恰當(dāng)。鉆機(jī)扭矩要求大，個(gè)別情況下單位錨固力小。

2.2 自旋注漿錨管Self-screwed Slip Casting Tube Bolt(SSCTB?)

在鉆孔中安裝結(jié)束后利用自旋錨管注漿就成為具有初錨力的自旋注漿錨桿

創(chuàng)新點(diǎn)：具有初錨力且是全長(zhǎng)錨固的注漿錨桿

優(yōu)點(diǎn)：具有一定初錨力，適應(yīng)于各種松軟巖土體

缺點(diǎn)：注漿程序占用時(shí)間，施工環(huán)境差，速度受限制

2.3 自旋樹脂錨管Self-screwed Resin Tube Bolt(SRTB?)

在鉆孔中安裝的同時(shí)自旋錨管將樹脂藥卷攪拌具有初錨力的自旋樹脂錨桿

創(chuàng)新點(diǎn)：藥卷攪拌結(jié)束立即施加預(yù)應(yīng)力的樹脂錨桿

優(yōu)點(diǎn)：錨固可靠，適應(yīng)性廣

缺點(diǎn)：錨桿安裝需要專用鉆具

2.4 自鉆旋進(jìn)錨管Self-screwed Rod Drilling Tube Bolt(SRDTB?)

在自旋錨管中空內(nèi)放入鉆桿使鉆眼安裝一次完成是具有初錨力的自鉆錨桿

創(chuàng)新點(diǎn)：鉆眼安裝一次完成且具有初錨力的自鉆錨桿

優(yōu)點(diǎn)：有一定的初錨力，安裝快速，適應(yīng)于任何巖土層

缺點(diǎn)：施工需要專用鉆具

2.5 自旋噴漿錨管Self-screwed Full Injecting Tube Bolt(SFITB?)

在土層中邊噴漿邊鉆進(jìn)安裝錨注一次完成錨固力35KN/m

創(chuàng)新點(diǎn)：鉆眼安裝和注漿一次完成的土層錨桿

優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)于松散巖土體

缺點(diǎn)：不能用于巖體破碎帶松散體2100433B