Verkettete Spinlocks

Queue-Spinlocks sind eine Variante von Spinlocks, die gut für stark umstrittene Sperren geeignet sind. Herkömmliche, nicht queuierte Drehsperren sind eine bessere Wahl für leicht angehaltene oder kürzere Dauer sperren.

Zu den Vorteilen der Verwendung einer in die Warteschlange eingereihten Drehsperre gehören:

1. Reduzierte Prozessorkonkurrenz: Herkömmliche Spinlocks können zu erheblichen Prozessorkonflikten führen, wenn mehrere Threads versuchen, die Sperre gleichzeitig zu erlangen, da sie den Sperrstatus kontinuierlich in einer Schleife (oder "drehen") überprüfen. Dies kann die Systemleistung beeinträchtigen, insbesondere auf Multiprozessorsystemen. Warteschlangenspinlocks mindern dies, indem sie Threads in einer Warteschlange organisieren. Wenn ein Thread eine Sperre erwirbt, dreht sich nur der nächste in der Reihe aktiv und wartet darauf, die Sperre zu erwerben. Dies reduziert die CPU-Zyklen, die beim Drehen verschwendet werden, insbesondere, wenn die Sperre länger gehalten wird.

2. Fairness und Vermeidung von Verhungern: Eines der Probleme bei grundlegenden Drehsperren ist der Mangel an Fairness; ein Thread kann verhungern und niemals die Sperre erlangen, wenn andere Threads diese kontinuierlich erlangen und freigeben. Warteschlangen-Spinlocks adressieren dies, indem sichergestellt wird, dass Threads die Sperre in der Reihenfolge abrufen, in der sie angefordert wurden. Diese sequentielle Bearbeitung verhindert Verhungerung und stellt sicher, dass alle Threads nach und nach bedient werden.

3. Skalierbarkeit: Da sich die Anzahl der Prozessoren oder Kerne in einem System erhöht, wird die Effizienz der Synchronisierungsmechanismen für die Leistung entscheidend. Schlösser in der Warteschlange sind skalierbarer als herkömmliche Drehsperren, da sie den Aufwand für die Prozessoren verringern, indem die aktive Drehung über alle Kerne minimiert wird. Dies ist besonders wichtig für hochleistungsfähige Multikernsysteme, bei denen sich die Treibereffizienz direkt auf die Gesamtleistung des Systems auswirken kann.

4. Effizienter Einsatz von Systemressourcen: Durch die Reduzierung unnötiger Prozessordrehungen ermöglichen warteschlangenbasierte Spinlocks es dem System, seine Ressourcen effizienter zu nutzen. Dies verbessert nicht nur die Leistung des Gerätetreibers, sondern wirkt sich auch positiv auf die Gesamtreaktionsfähigkeit und den Stromverbrauch des Systems aus, was insbesondere in leistungsempfindlichen Umgebungen von Vorteil ist.

5. Einfachheit und Zuverlässigkeit: Trotz ihrer Vorteile bei der Reduzierung von Konkurrenz und der Verbesserung der Fairness abstrahiert der eingereihte Spinlock die Komplexität für den Entwickler. Sie bieten einen einfachen und zuverlässigen Mechanismus zum Schutz freigegebener Ressourcen, ohne dass der Entwickler komplexe Sperrlogik implementieren muss. Diese Einfachheit reduziert die Wahrscheinlichkeit von Fehlern im Zusammenhang mit unsachgemäßer Sperrverwaltung, wodurch die Zuverlässigkeit des Treibers verbessert wird.

Nachstehend ist ein vereinfachter Codeausschnitt, der die beschriebenen Vorgänge mit einer Warteschlangendrehsperre in einem Windows-Kernelmodustreiber demonstriert. In diesem Beispiel wird gezeigt, wie Sie eine Drehsperre mithilfe von KeInitializeSpinLock deklarieren und initialisieren. Anschließend wird die Sperre mithilfe von KeAcquireInStackQueuedSpinLock und KeReleaseInStackQueuedSpinLock bzw. KeReleaseInStackQueuedSpinLock erworben und freigegeben.

KSPIN_LOCK SpinLock;  
KLOCK_QUEUE_HANDLE LockHandle;  

// Initialize the spin lock  
KeInitializeSpinLock(&SpinLock);  

// Assume this function is called in some kind of context where   
// the below operations make sense, e.g., in a device I/O path  

// Acquire the queued spin lock  
KeAcquireInStackQueuedSpinLock(&SpinLock, &LockHandle);  

// At this point, the current thread holds the spin lock.  
// Perform thread-safe operations here.  
    
// ...  

// Release the queued spin lock  
KeReleaseInStackQueuedSpinLock(&LockHandle);  

Der Treiber weist eine KLOCK_QUEUE_HANDLE-Struktur zu, die mittels eines Zeigers an KeAcquireInStackQueuedSpinLock übergeben wird. Der Treiber übergibt dieselbe Struktur mittels eines Zeigers an KeReleaseInStackQueuedSpinLock, wenn er den Spinlock loslässt.

Treiber sollten normalerweise die Struktur auf dem Stapel jedes Mal zuordnen, wenn sie die Sperre erwerben. Ein Treiber sollte die Struktur nicht innerhalb des Gerätekontexts allokieren und dann dieselbe Struktur aus mehreren Threads freigeben.

Treiber dürfen keine Aufrufe an die in die Warteschlange eingereihten Spin-Lock-Routinen und die normalen KeXxxSpinLock-Routinen auf derselben Drehsperre mischen.

Wenn sich der Treiber bereits bei IRQL = DISPATCH_LEVEL befindet, kann er stattdessen KeAcquireInStackQueuedSpinLockAtDpcLevel und KeReleaseInStackQueuedSpinLockFromDpcLevel aufrufen.