Nginx 源码完全剖析（11）ngx_spinlock

• 作者：钟超
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• 日期：2012年10月12日

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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