Documentation/locking/spinlocks.rst

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   2 Locking lessons
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   5 Lesson 1: Spin locks
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   8 The most basic primitive for locking is spinlock::
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  10   static DEFINE_SPINLOCK(xxx_lock);
  11
  12         unsigned long flags;
  13
  14         spin_lock_irqsave(&xxx_lock, flags);
  15         ... critical section here ..
  16         spin_unlock_irqrestore(&xxx_lock, flags);
  17
  18 The above is always safe. It will disable interrupts _locally_, but the
  19 spinlock itself will guarantee the global lock, so it will guarantee that
  20 there is only one thread-of-control within the region(s) protected by that
  21 lock. This works well even under UP also, so the code does _not_ need to
  22 worry about UP vs SMP issues: the spinlocks work correctly under both.
  23
  24    NOTE! Implications of spin_locks for memory are further described in:
  25
  26      Documentation/memory-barriers.txt
  27
  28        (5) LOCK operations.
  29
  30        (6) UNLOCK operations.
  31
  32 The above is usually pretty simple (you usually need and want only one
  33 spinlock for most things - using more than one spinlock can make things a
  34 lot more complex and even slower and is usually worth it only for
  35 sequences that you **know** need to be split up: avoid it at all cost if you
  36 aren't sure).
  37
  38 This is really the only really hard part about spinlocks: once you start
  39 using spinlocks they tend to expand to areas you might not have noticed
  40 before, because you have to make sure the spinlocks correctly protect the
  41 shared data structures **everywhere** they are used. The spinlocks are most
  42 easily added to places that are completely independent of other code (for
  43 example, internal driver data structures that nobody else ever touches).
  44
  45    NOTE! The spin-lock is safe only when you **also** use the lock itself
  46    to do locking across CPU's, which implies that EVERYTHING that
  47    touches a shared variable has to agree about the spinlock they want
  48    to use.
  49
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  52 Lesson 2: reader-writer spinlocks.
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  55 If your data accesses have a very natural pattern where you usually tend
  56 to mostly read from the shared variables, the reader-writer locks
  57 (rw_lock) versions of the spinlocks are sometimes useful. They allow multiple
  58 readers to be in the same critical region at once, but if somebody wants
  59 to change the variables it has to get an exclusive write lock.
  60
  61    NOTE! reader-writer locks require more atomic memory operations than
  62    simple spinlocks.  Unless the reader critical section is long, you
  63    are better off just using spinlocks.
  64
  65 The routines look the same as above::
  66
  67    rwlock_t xxx_lock = __RW_LOCK_UNLOCKED(xxx_lock);
  68
  69         unsigned long flags;
  70
  71         read_lock_irqsave(&xxx_lock, flags);
  72         .. critical section that only reads the info ...
  73         read_unlock_irqrestore(&xxx_lock, flags);
  74
  75         write_lock_irqsave(&xxx_lock, flags);
  76         .. read and write exclusive access to the info ...
  77         write_unlock_irqrestore(&xxx_lock, flags);
  78
  79 The above kind of lock may be useful for complex data structures like
  80 linked lists, especially searching for entries without changing the list
  81 itself.  The read lock allows many concurrent readers.  Anything that
  82 **changes** the list will have to get the write lock.
  83
  84    NOTE! RCU is better for list traversal, but requires careful
  85    attention to design detail (see Documentation/RCU/listRCU.txt).
  86
  87 Also, you cannot "upgrade" a read-lock to a write-lock, so if you at _any_
  88 time need to do any changes (even if you don't do it every time), you have
  89 to get the write-lock at the very beginning.
  90
  91    NOTE! We are working hard to remove reader-writer spinlocks in most
  92    cases, so please don't add a new one without consensus.  (Instead, see
  93    Documentation/RCU/rcu.txt for complete information.)
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  96
  97 Lesson 3: spinlocks revisited.
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 100 The single spin-lock primitives above are by no means the only ones. They
 101 are the most safe ones, and the ones that work under all circumstances,
 102 but partly **because** they are safe they are also fairly slow. They are slower
 103 than they'd need to be, because they do have to disable interrupts
 104 (which is just a single instruction on a x86, but it's an expensive one -
 105 and on other architectures it can be worse).
 106
 107 If you have a case where you have to protect a data structure across
 108 several CPU's and you want to use spinlocks you can potentially use
 109 cheaper versions of the spinlocks. IFF you know that the spinlocks are
 110 never used in interrupt handlers, you can use the non-irq versions::
 111
 112         spin_lock(&lock);
 113         ...
 114         spin_unlock(&lock);
 115
 116 (and the equivalent read-write versions too, of course). The spinlock will
 117 guarantee the same kind of exclusive access, and it will be much faster.
 118 This is useful if you know that the data in question is only ever
 119 manipulated from a "process context", ie no interrupts involved.
 120
 121 The reasons you mustn't use these versions if you have interrupts that
 122 play with the spinlock is that you can get deadlocks::
 123
 124         spin_lock(&lock);
 125         ...
 126                 <- interrupt comes in:
 127                         spin_lock(&lock);
 128
 129 where an interrupt tries to lock an already locked variable. This is ok if
 130 the other interrupt happens on another CPU, but it is _not_ ok if the
 131 interrupt happens on the same CPU that already holds the lock, because the
 132 lock will obviously never be released (because the interrupt is waiting
 133 for the lock, and the lock-holder is interrupted by the interrupt and will
 134 not continue until the interrupt has been processed).
 135
 136 (This is also the reason why the irq-versions of the spinlocks only need
 137 to disable the _local_ interrupts - it's ok to use spinlocks in interrupts
 138 on other CPU's, because an interrupt on another CPU doesn't interrupt the
 139 CPU that holds the lock, so the lock-holder can continue and eventually
 140 releases the lock).
 141
 142 Note that you can be clever with read-write locks and interrupts. For
 143 example, if you know that the interrupt only ever gets a read-lock, then
 144 you can use a non-irq version of read locks everywhere - because they
 145 don't block on each other (and thus there is no dead-lock wrt interrupts.
 146 But when you do the write-lock, you have to use the irq-safe version.
 147
 148 For an example of being clever with rw-locks, see the "waitqueue_lock"
 149 handling in kernel/sched/core.c - nothing ever _changes_ a wait-queue from
 150 within an interrupt, they only read the queue in order to know whom to
 151 wake up. So read-locks are safe (which is good: they are very common
 152 indeed), while write-locks need to protect themselves against interrupts.
 153
 154                 Linus
 155
 156 ----
 157
 158 Reference information:
 159 ======================
 160
 161 For dynamic initialization, use spin_lock_init() or rwlock_init() as
 162 appropriate::
 163
 164    spinlock_t xxx_lock;
 165    rwlock_t xxx_rw_lock;
 166
 167    static int __init xxx_init(void)
 168    {
 169         spin_lock_init(&xxx_lock);
 170         rwlock_init(&xxx_rw_lock);
 171         ...
 172    }
 173
 174    module_init(xxx_init);
 175
 176 For static initialization, use DEFINE_SPINLOCK() / DEFINE_RWLOCK() or
 177 __SPIN_LOCK_UNLOCKED() / __RW_LOCK_UNLOCKED() as appropriate.