傷害/等待互斥鎖
時間：2021-11-05 14:13:43
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[導(dǎo)讀]序言：近期讀Linux5.15的發(fā)布說明，該版本合并了實時鎖機(jī)制，當(dāng)開啟配置宏CONFIG_PREEMPT_RT的時候，這些鎖被基于實時互斥鎖的變體替代：mutex、ww_mutex、rw_semaphore、spinlock和rwlock。第一次聽說ww_mutex，在百度上查...
序言：近期讀Linux 5.15的發(fā)布說明，該版本合并了實時鎖機(jī)制，當(dāng)開啟配置宏CONFIG_PREEMPT_RT的時候，這些鎖被基于實時互斥鎖的變體替代：mutex、ww_mutex、rw_semaphore、spinlock和rwlock。第一次聽說ww_mutex，在百度上查找的時候發(fā)現(xiàn)介紹文檔很少，于是自己學(xué)習(xí)，寫成筆記。在某些場合必須同時持有多個鎖，并且獲取鎖的順序可能不同，為了避免死鎖，應(yīng)該使用傷害/等待互斥鎖（Wound/Wait Mutexes）。獲取一個鎖集合稱為一個事務(wù)（transaction），每個事務(wù)關(guān)聯(lián)一張門票（ticket），門票也稱為序列號，根據(jù)門票判斷哪個事務(wù)年輕。有2種處理死鎖的方法，如下。(1)?等待-死亡（Wait-Die）算法：一個事務(wù)申請另一個事務(wù)已經(jīng)獲取的鎖的時候，如果持有鎖的事務(wù)年輕，那么申請鎖的事務(wù)等待（wait）；如果持有鎖的事務(wù)年老，那么申請鎖的事務(wù)退避并且死亡（die）。(2) 4.19版本開始支持傷害-等待（Wound-Wait）算法：一個事務(wù)申請另一個事務(wù)已經(jīng)獲取的鎖的時候，如果持有鎖的事務(wù)年輕，那么申請鎖的事務(wù)傷害（wound）持有鎖的事務(wù)，請求它去死亡；如果持有鎖的事務(wù)年老，那么申請鎖的事務(wù)等待（wait）。假設(shè)進(jìn)程1和進(jìn)程2分別在2個處理器上運(yùn)行，進(jìn)程1獲取鎖A，進(jìn)程2獲取鎖B，然后進(jìn)程1申請鎖B，進(jìn)程2申請鎖A。假設(shè)進(jìn)程1的門票編號比進(jìn)程2的門票編號小，也就是進(jìn)程1年老，進(jìn)程2年輕。假設(shè)選擇等待-死亡算法。年老的進(jìn)程1申請鎖B，發(fā)現(xiàn)持有鎖B的進(jìn)程2年輕，那么年老的進(jìn)程1等待。年輕的進(jìn)程2申請鎖A，發(fā)現(xiàn)持有鎖A的進(jìn)程1年老，那么年輕的進(jìn)程2死亡（即申請鎖的函數(shù)返回“-EDEADLK”），接著回滾（即釋放已經(jīng)獲取的鎖B），然后重新開始：先申請鎖A然后申請鎖B（必須改變申請順序，如果先申請鎖B，那么會把剛釋放的鎖B搶回來）。假設(shè)選擇傷害-等待算法。年老的進(jìn)程1申請鎖B，發(fā)現(xiàn)持有鎖B的進(jìn)程2年輕，那么傷害年輕的進(jìn)程2，請求它死亡。年輕的進(jìn)程2申請鎖A，發(fā)現(xiàn)持有鎖A的進(jìn)程1年老，那么年輕的進(jìn)程2等待，在收到進(jìn)程1的死亡請求以后，年輕的進(jìn)程2死亡（即申請鎖的函數(shù)返回“-EDEADLK”），接著回滾（即釋放已經(jīng)獲取的鎖B），然后重新開始：先申請鎖A然后申請鎖B。兩種算法都是公平的，因為其中一個事務(wù)最終會成功。和等待-死亡算法相比，傷害-等待算法生成的退避少，但是從一次退避恢復(fù)的時候要做更多的工作。傷害-等待算法是一種搶占性的算法（因為事務(wù)被其它事務(wù)傷害），需要一種可靠的方法來選擇受傷狀態(tài)和搶占正在運(yùn)行的事務(wù)。在傷害-等待算法中，一個事務(wù)在受傷后死亡（返回“-EDEADLK”），就認(rèn)為這個事務(wù)被搶占。如果競爭鎖的進(jìn)程少，并且希望減少回滾的次數(shù)，那么應(yīng)該選擇傷害-等待算法。?和普通的互斥鎖相比，傷害/等待互斥鎖增加了下面2個概念。(1)?獲取上下文（acquire context）：一個獲取上下文表示一個事務(wù)，關(guān)聯(lián)一張門票（ticket），門票也稱為序列號，門票編號小表示年老，門票編號大表示年輕。獲取上下文跟蹤調(diào)試狀態(tài)，捕獲對傷害/等待互斥鎖接口的錯誤使用。(2)?傷害/等待類：初始化獲取上下文的時候需要指定鎖類，鎖類會給獲取上下文分配門票。鎖類也指定算法：等待-死亡（Wait-Die）或傷害-等待（Wound-Wait）。當(dāng)多個進(jìn)程競爭同一個鎖集合的時候，它們必須使用相同的鎖類。?有3種獲取傷害/等待互斥鎖的函數(shù)，如下。(1) 普通的獲取鎖函數(shù)ww_mutex_lock()，帶有獲取上下文。(2) 進(jìn)程在回滾（即釋放所有已經(jīng)獲取的鎖）以后，使用慢路徑獲取鎖函數(shù)ww_mutex_lock_slow()獲取正在競爭的鎖。帶有“_slow”后綴的函數(shù)不是必需的，因為可以調(diào)用函數(shù)ww_mutex_lock()獲取正在競爭的鎖。帶有“_slow”后綴的函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是接口安全，如下。
- 函數(shù)ww_mutex_lock()有一個整數(shù)返回值，而函數(shù)ww_mutex_lock_slow()沒有返回值。
- 當(dāng)開啟調(diào)試的時候，函數(shù)ww_mutex_lock_slow()檢查所有已經(jīng)獲取的鎖已經(jīng)被釋放，并且確保進(jìn)程阻塞在正在競爭的鎖上面。
/* 指定等待-死亡算法 */static DEFINE_WD_CLASS(my_class);
/* 指定傷害-等待算法 */static?DEFINE_WW_CLASS(my_class);(2) 初始化一個獲取上下文，鎖類會給獲取上下文分配一張門票。void ww_acquire_init(struct ww_acquire_ctx *ctx, struct ww_class *ww_class);(3) 獲取鎖，返回0表示獲取成功，返回“-EDEADLK”表示檢測出死鎖。int ww_mutex_lock(struct ww_mutex *lock, struct ww_acquire_ctx *ctx);(4) 獲取需要的所有鎖以后，標(biāo)記獲取階段結(jié)束。目前這個函數(shù)沒有執(zhí)行任何操作，但是將來可能改變。void ww_acquire_done(struct ww_acquire_ctx *ctx);(5) 釋放鎖。void ww_mutex_unlock(struct ww_mutex *lock);(6) 釋放所有鎖以后，釋放獲取上下文。void ww_acquire_fini(struct ww_acquire_ctx *ctx);?下面是一個例子，注意：調(diào)用函數(shù)ww_mutex_lock()申請鎖失敗以后，應(yīng)該先釋放已經(jīng)獲取的鎖，然后調(diào)用慢路徑函數(shù)ww_mutex_lock_slow()獲取正在競爭的鎖，最后獲取其它鎖。重新開始申請鎖的時候必須改變申請順序，因為如果按照原來的順序申請鎖，那么會把剛釋放的鎖搶回來。/* 第1步：定義鎖類，指定傷害-等待算法。*/static DEFINE_WW_CLASS(ww_class);
struct obj { struct ww_mutex lock; /* obj data */};
struct obj_entry { struct list_head head; struct obj *obj;};
int lock_objs(struct list_head *list, struct ww_acquire_ctx *ctx){ struct obj *res_obj = NULL; struct obj_entry *contended_entry = NULL; struct obj_entry *entry; int ret;
/* 第2步：初始化獲取上下文。*/ ww_acquire_init(ctx, 
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