了解 Linux 内核循环缓冲区

Question

在http://lwn.net/Articles/378262/ 有一篇文章描述了 Linux 内核循环缓冲区的实现。我有一些问题：

这里是“制作人”：

spin_lock(&producer_lock);

unsigned long head = buffer->head;
unsigned long tail = ACCESS_ONCE(buffer->tail);

if (CIRC_SPACE(head, tail, buffer->size) >= 1) {
    /* insert one item into the buffer */
    struct item *item = buffer[head];

    produce_item(item);

    smp_wmb(); /* commit the item before incrementing the head */

    buffer->head = (head + 1) & (buffer->size - 1);

    /* wake_up() will make sure that the head is committed before
     * waking anyone up */
    wake_up(consumer);
}

spin_unlock(&producer_lock);

问题：

1. 既然这段代码明确地处理内存排序和原子性，那么 spin_lock() 的意义何在？
2. 到目前为止，我的理解是 ACCESS_ONCE 会停止编译器重新排序，对吗？
3. produce_item(item) 是否仅发出与该项目相关的所有写入？
4. 我相信 smp_wmb() 可以保证在produce_item(item) 中的所有写入都在随后的“发布”写入之前完成。真的吗？
5. 我获得此代码的页面上的评论似乎暗示 smp_wmb() 将 通常在更新头索引后需要，但 wake_up(consumer) 会这样做，所以它不是必需的。真的吗？如果是，为什么？

这里是“消费者”：

spin_lock(&consumer_lock);

unsigned long head = ACCESS_ONCE(buffer->head);
unsigned long tail = buffer->tail;

if (CIRC_CNT(head, tail, buffer->size) >= 1) {
    /* read index before reading contents at that index */
    smp_read_barrier_depends();

    /* extract one item from the buffer */
    struct item *item = buffer[tail];

    consume_item(item);

    smp_mb(); /* finish reading descriptor before incrementing tail */

    buffer->tail = (tail + 1) & (buffer->size - 1);
}

spin_unlock(&consumer_lock);

针对“消费者”的问题：

1. smp_read_barrier_depends() 有什么作用？从论坛中的一些 cmets 看来，您似乎可以在此处发布 smp_rmb()，但在某些架构上这是不必要的（x86）且过于昂贵，因此创建 smp_read_barrier_depends() 来选择性地执行此操作......也就是说，我不太明白为什么 smp_rmb() 是必要的！
2. smp_mb() 是否可以保证在它之前的所有读取在它之后的写入之前完成？

Answer 1

对于制作人：

1. 这里的spin_lock()是为了防止两个生产者同时尝试修改队列。
2. ACCESS_ONCE 确实阻止了重新排序，它还阻止了编译器稍后重新加载该值。 （an article about ACCESS_ONCE on LWN 对此进行了进一步扩展）
3. 正确。
4. 也正确。
5. 在唤醒消费者之前需要此处的（隐含的）写屏障，否则消费者可能看不到更新后的 head 值。

消费者：

1. smp_read_barrier_depends() 是一个数据依赖屏障，它是一种较弱的读取屏障形式（请参阅2）。这种情况下的效果是确保在将buffer->tail 用作buffer[tail] 中的数组索引之前先读取它。
2. smp_mb() 这里是一个完整的内存屏障，确保所有读取和写入都在此时提交。

其他参考资料：

• Linux kernel documentation on memory barriers

（注意：我不完全确定我对生产者 5 和消费者 1 的答案，但我相信它们是事实的合理近似值。我强烈建议阅读有关内存障碍的文档页面，因为它比我在这里写的任何东西都更全面。）