4. 自旋锁API：spin_lock/spin_unlock、spin_lock_irq/spin_unlock_irq、spin_lock_bh/spin_unlock_bh

自旋锁（Spinlock）是Linux内核中最基础的短临界区保护机制。其核心语义是：如果锁已被持有，当前CPU会原地自旋（忙等）直到锁被释放。由于自旋锁不允许调用者睡眠，它必须用于执行时间极短的临界区。

Linux内核提供了多组自旋锁API，分别对应不同的中断上下文和抢占控制需求。选择错误的API会导致死锁或竞态条件。本章将详细剖析三组最核心的API：spin_lock/spin_unlock、spin_lock_irq/spin_unlock_irq 和 spin_lock_bh/spin_unlock_bh。

4.1 自旋锁API全景对比

下表从中断控制、下半部控制、抢占控制和典型使用场景四个维度，对比三组API的核心差异：

4.2 spin_lock / spin_unlock：基础自旋锁

这是最轻量级的自旋锁变体。它只关闭内核抢占，不修改本地中断状态。适用于临界区不会被硬中断或软中断处理程序访问的场景。

// 定义并初始化自旋锁
DEFINE_SPINLOCK(my_lock);

// 进程上下文A
spin_lock(&my_lock);
/* 临界区：访问共享数据结构 */
shared_counter++;
spin_unlock(&my_lock);

// 进程上下文B（可能运行在不同CPU上）
spin_lock(&my_lock);
shared_counter++;
spin_unlock(&my_lock);

4.3 spin_lock_irq / spin_unlock_irq：关闭中断的自旋锁

在获取锁的同时关闭本地CPU的所有硬中断，释放锁时恢复中断状态。这是最安全的变体，用于保护被进程上下文和硬中断处理程序同时访问的数据。

// 硬中断处理程序与进程上下文共享的锁
DEFINE_SPINLOCK(dev_lock);

// 硬中断处理程序（例如网卡中断）
irqreturn_t net_irq_handler(int irq, void *dev_id)
{
    spin_lock(&dev_lock);   // 中断上下文：不需要关中断（中断已关）
    /* 更新网卡环形缓冲区 */
    spin_unlock(&dev_lock);
    return IRQ_HANDLED;
}

// 进程上下文（例如ioctl调用）
void dev_ioctl_set_speed(int speed)
{
    spin_lock_irq(&dev_lock);  // 关本地中断 + 关抢占
    /* 配置网卡速度寄存器 */
    dev->speed = speed;
    spin_unlock_irq(&dev_lock); // 恢复中断 + 开抢占
}

4.4 spin_lock_bh / spin_unlock_bh：关闭下半部的自旋锁

在获取锁时关闭本地CPU的软中断（下半部）处理，释放锁时重新使能。它不影响硬中断，因此硬中断仍然可以响应。适用于进程上下文与tasklet、软中断（如timer、NET_RX_SOFTIRQ）共享数据的场景。

// 进程上下文与tasklet共享的统计锁
DEFINE_SPINLOCK(stat_lock);

// tasklet处理函数
void my_tasklet_func(unsigned long data)
{
    spin_lock(&stat_lock);   // tasklet中：软中断上下文，不需要关BH
    stats->rx_packets++;
    spin_unlock(&stat_lock);
}

// 进程上下文读取统计信息
void show_stats(void)
{
    spin_lock_bh(&stat_lock);  // 关软中断 + 关抢占
    printk("RX packets: %lu\n", stats->rx_packets);
    spin_unlock_bh(&stat_lock);
}

4.5 三组API的调用路径与中断状态变化

下面的SVG图展示了三组API在获取锁前后，本地CPU中断状态和抢占状态的变化流程：

4.6 选择指南：何时使用哪组API？

以下决策树可以帮助你在实际开发中快速选择正确的自旋锁变体：

1. 共享数据是否被硬中断处理程序访问？
   • 是 → 使用 spin_lock_irq / spin_unlock_irq
   • 否 → 进入第2步
2. 共享数据是否被软中断/tasklet访问？
   • 是 → 使用 spin_lock_bh / spin_unlock_bh
   • 否 → 使用 spin_lock / spin_unlock

4.7 调试要点：自旋锁使用不当的典型症状

4.8 实战建议：从spin_lock到spin_lock_irqsave

在实际内核代码中，spin_lock_irq 有一个更安全的变体——spin_lock_irqsave。它会保存当前中断状态到局部变量，释放锁时用 spin_unlock_irqrestore 恢复原始状态。这在中断状态不确定的路径中（如函数可能被不同上下文调用）可以避免错误地开启中断。

// 推荐写法：保存并恢复中断状态
unsigned long flags;

spin_lock_irqsave(&lock, flags);
/* 临界区 */
spin_unlock_irqrestore(&lock, flags);

// 不推荐：如果此函数被中断上下文调用，会错误开启中断
spin_lock_irq(&lock);
/* 临界区 */
spin_unlock_irq(&lock);