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Nginx 源码完全剖析 nginx 自旋锁 ngx_spinlock

2015-11-11 14:15 1056 查看
Nginx 是多进程模式的,一个 master 与多个 workers,一般工作在多核 CPU 上,所以自旋锁就是必须用到的。Nginx 中的自旋锁的定义,位于 ngx_spinlock.c 中,如下:
void
ngx_spinlock(ngx_atomic_t *lock, ngx_atomic_int_t value, ngx_uint_t spin)
{

#if (NGX_HAVE_ATOMIC_OPS)

ngx_uint_t  i, n;

for ( ;; ) {

// lock 即为锁,是一个整数
// ngx_atomic_cmp_set 是平台相关的,一般都涉及内联汇编
if (*lock == 0 && ngx_atomic_cmp_set(lock, 0, value)) {
return;
}

// 多核
if (ngx_ncpu > 1) {

// 等待与重试策略,见下面的描述
for (n = 1; n < spin; n <<= 1) {

for (i = 0; i < n; i++) {
ngx_cpu_pause();
}

if (*lock == 0 && ngx_atomic_cmp_set(lock, 0, value)) {
return;
}
}
}

ngx_sched_yield();
}

#else

#if (NGX_THREADS)

#error ngx_spinlock() or ngx_atomic_cmp_set() are not defined !

#endif

#endif

}


其中用 lock 这个整形变量表示锁,在笔者的机器(Darwin 12.0)上,是如下定义的:
typedef volatile ngx_atomic_uint_t  ngx_atomic_t;


再回到上面 spinlock 的源码分析中,如果 ngx_ncpu(表示 CPU 的核心数)超过 1 个,即多核 CPU,则要等待/重试。举个例子,如果 spin 为 80,则第一次等待 1 个 ngx_cpu_pause() 操作,然后再次查看锁是否可用。接下来每轮分别等待 2个、4 个、8 个、16 个、32 个、64 个 ngx_cpu_pause() 操作后再试。这中间过程中如果出现锁被释放从而可以使用的情况,则循环会被中止,spinlock 函数会返回值。如果重试仍没有成功,则执行 ngx_sched_yield,然后再重复上面的操作。

另外其中的 ngx_atomic_cmp_set 函数也很有探讨价值。在 Darwin 12.0 上面是如下的宏定义:
#define ngx_atomic_cmp_set(lock, old, new)                                    \
OSAtomicCompareAndSwap64Barrier(old, new, (int64_t *) lock)


在我一位朋友的 Linux 环境(具体忘记了,但是 x86),如下。其中的内联汇编可以参考本博客内的 GCC 内联汇编的两篇博文。其中的 SMP 为总线锁。
static ngx_inline ngx_atomic_uint_t
ngx_atomic_cmp_set(ngx_atomic_t *lock, ngx_atomic_uint_t old,
ngx_atomic_uint_t set)
{
u_char  res;

__asm__ volatile (

NGX_SMP_LOCK
"    cmpxchgl  %3, %1;   "
"    sete      %0;       "

: "=a" (res) : "m" (*lock), "a" (old), "r" (set) : "cc", "memory");

return res;
}


这里输出为 res,保存在 eax 寄存器中。输入为 *lock(内存中)、old(eax中)、set(r 表示通用寄存器)。这样 %0 就是 res,%1 就是 *lock,%2 就是 old,%3 就是 set。

如果 *lock 和 old 相等,则异或(cmpxchgl)为 0,则 ZF 为 1,sete 将 res(%0)的值设置为 1 并返回它。如果 *lock 和 old 不相等,则异火值非零,所以 ZF 非零,则 sete 不会执行动作,即 res 值为 0,即调用 ngx_atomic_cmp_set 失败。

cmpxchgl 会影响 ZF(Zero Flag)标志位。
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