Locking / RCU · Linux v6.6 · source + diagram note

spinlock

preemption, IRQ save, atomic context.

전체 흐름

locking/RCU/atomic 코드는 shared mutable state의 ordering과 lifetime을 보증하는 언어다. lock API를 외우는 것이 아니라 context, memory model, object lifetime을 하나의 그래프로 읽어야 한다.

핵심 확인 사항

함수 이름보다 입력 객체와 출력 객체를 먼저 본다. 이 토픽에서 어떤 구조체가 생성, 연결, publish, retire되는지 표시한다.

오류 처리 확인

정상 경로와 실패 경로를 함께 확인한다. 성공 경로뿐 아니라 오류 복구, hotplug, 해제 과정에서 상태가 올바르게 정리되는지 점검한다.

그림 1. spinlock 이 kernel 안에서 놓이는 위치
shared objectpointer, state, refcount
serializationspinlock, mutex, rwsem, atomic
visibilitybarrier, READ_ONCE/WRITE_ONCE
lifetimerefcount, RCU grace period, free

왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 실제 상태 변경이 커진다. 각 코드 조각이 어느 단계에 해당하는지 대조한다.

소스 코드 위치

먼저 확인할 Linux v6.6 소스 파일

원본 코드:
Linux v6.6: kernel/locking/spinlock.c
Linux v6.6: kernel/locking/qspinlock.c
Linux v6.6: include/linux/spinlock.h

설명: 첫 파일은 보통 진입 함수가 있는 곳이고, 나머지는 구조체 정의, architecture glue, callback 구현을 확인할 때 같이 연다. 파일을 여러 개 놓고 봐야 이 토픽의 boundary가 보인다.

대표 코드

do_raw_spin_lock

원본 코드: include/linux/spinlock.h:184-189 · v6.6 · 로컬 원문
static inline void do_raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock) __acquires(lock)
{
	__acquire(lock);
	arch_spin_lock(&lock->raw_lock);
	mmiowb_spin_lock();
}

이 발췌는 CONFIG_DEBUG_SPINLOCK이 꺼진 inline 경로다. mmiowb_spin_lock()으로 MMIO 쓰기 추적 경계를 준비한 뒤 arch_spin_lock()에 실제 잠금 획득을 맡긴다. DEBUG_SPINLOCK 경로의 별도 구현이나 PREEMPT_RT의 일반 spinlock_t와 혼동하지 않는다.

queued_spin_lock_slowpath

원본 코드: kernel/locking/qspinlock.c:316-566 · v6.6 · 로컬 원문
queued_spin_lock_slowpath 함수 전체 (251줄)
void __lockfunc queued_spin_lock_slowpath(struct qspinlock *lock, u32 val)
{
	struct mcs_spinlock *prev, *next, *node;
	u32 old, tail;
	int idx;

	BUILD_BUG_ON(CONFIG_NR_CPUS >= (1U << _Q_TAIL_CPU_BITS));

	if (pv_enabled())
		goto pv_queue;

	if (virt_spin_lock(lock))
		return;

	/*
	 * Wait for in-progress pending->locked hand-overs with a bounded
	 * number of spins so that we guarantee forward progress.
	 *
	 * 0,1,0 -> 0,0,1
	 */
	if (val == _Q_PENDING_VAL) {
		int cnt = _Q_PENDING_LOOPS;
		val = atomic_cond_read_relaxed(&lock->val,
					       (VAL != _Q_PENDING_VAL) || !cnt--);
	}

	/*
	 * If we observe any contention; queue.
	 */
	if (val & ~_Q_LOCKED_MASK)
		goto queue;

	/*
	 * trylock || pending
	 *
	 * 0,0,* -> 0,1,* -> 0,0,1 pending, trylock
	 */
	val = queued_fetch_set_pending_acquire(lock);

	/*
	 * If we observe contention, there is a concurrent locker.
	 *
	 * Undo and queue; our setting of PENDING might have made the
	 * n,0,0 -> 0,0,0 transition fail and it will now be waiting
	 * on @next to become !NULL.
	 */
	if (unlikely(val & ~_Q_LOCKED_MASK)) {

		/* Undo PENDING if we set it. */
		if (!(val & _Q_PENDING_MASK))
			clear_pending(lock);

		goto queue;
	}

	/*
	 * We're pending, wait for the owner to go away.
	 *
	 * 0,1,1 -> *,1,0
	 *
	 * this wait loop must be a load-acquire such that we match the
	 * store-release that clears the locked bit and create lock
	 * sequentiality; this is because not all
	 * clear_pending_set_locked() implementations imply full
	 * barriers.
	 */
	if (val & _Q_LOCKED_MASK)
		smp_cond_load_acquire(&lock->locked, !VAL);

	/*
	 * take ownership and clear the pending bit.
	 *
	 * 0,1,0 -> 0,0,1
	 */
	clear_pending_set_locked(lock);
	lockevent_inc(lock_pending);
	return;

	/*
	 * End of pending bit optimistic spinning and beginning of MCS
	 * queuing.
	 */
queue:
	lockevent_inc(lock_slowpath);
pv_queue:
	node = this_cpu_ptr(&qnodes[0].mcs);
	idx = node->count++;
	tail = encode_tail(smp_processor_id(), idx);

	trace_contention_begin(lock, LCB_F_SPIN);

	/*
	 * 4 nodes are allocated based on the assumption that there will
	 * not be nested NMIs taking spinlocks. That may not be true in
	 * some architectures even though the chance of needing more than
	 * 4 nodes will still be extremely unlikely. When that happens,
	 * we fall back to spinning on the lock directly without using
	 * any MCS node. This is not the most elegant solution, but is
	 * simple enough.
	 */
	if (unlikely(idx >= MAX_NODES)) {
		lockevent_inc(lock_no_node);
		while (!queued_spin_trylock(lock))
			cpu_relax();
		goto release;
	}

	node = grab_mcs_node(node, idx);

	/*
	 * Keep counts of non-zero index values:
	 */
	lockevent_cond_inc(lock_use_node2 + idx - 1, idx);

	/*
	 * Ensure that we increment the head node->count before initialising
	 * the actual node. If the compiler is kind enough to reorder these
	 * stores, then an IRQ could overwrite our assignments.
	 */
	barrier();

	node->locked = 0;
	node->next = NULL;
	pv_init_node(node);

	/*
	 * We touched a (possibly) cold cacheline in the per-cpu queue node;
	 * attempt the trylock once more in the hope someone let go while we
	 * weren't watching.
	 */
	if (queued_spin_trylock(lock))
		goto release;

	/*
	 * Ensure that the initialisation of @node is complete before we
	 * publish the updated tail via xchg_tail() and potentially link
	 * @node into the waitqueue via WRITE_ONCE(prev->next, node) below.
	 */
	smp_wmb();

	/*
	 * Publish the updated tail.
	 * We have already touched the queueing cacheline; don't bother with
	 * pending stuff.
	 *
	 * p,*,* -> n,*,*
	 */
	old = xchg_tail(lock, tail);
	next = NULL;

	/*
	 * if there was a previous node; link it and wait until reaching the
	 * head of the waitqueue.
	 */
	if (old & _Q_TAIL_MASK) {
		prev = decode_tail(old);

		/* Link @node into the waitqueue. */
		WRITE_ONCE(prev->next, node);

		pv_wait_node(node, prev);
		arch_mcs_spin_lock_contended(&node->locked);

		/*
		 * While waiting for the MCS lock, the next pointer may have
		 * been set by another lock waiter. We optimistically load
		 * the next pointer & prefetch the cacheline for writing
		 * to reduce latency in the upcoming MCS unlock operation.
		 */
		next = READ_ONCE(node->next);
		if (next)
			prefetchw(next);
	}

	/*
	 * we're at the head of the waitqueue, wait for the owner & pending to
	 * go away.
	 *
	 * *,x,y -> *,0,0
	 *
	 * this wait loop must use a load-acquire such that we match the
	 * store-release that clears the locked bit and create lock
	 * sequentiality; this is because the set_locked() function below
	 * does not imply a full barrier.
	 *
	 * The PV pv_wait_head_or_lock function, if active, will acquire
	 * the lock and return a non-zero value. So we have to skip the
	 * atomic_cond_read_acquire() call. As the next PV queue head hasn't
	 * been designated yet, there is no way for the locked value to become
	 * _Q_SLOW_VAL. So both the set_locked() and the
	 * atomic_cmpxchg_relaxed() calls will be safe.
	 *
	 * If PV isn't active, 0 will be returned instead.
	 *
	 */
	if ((val = pv_wait_head_or_lock(lock, node)))
		goto locked;

	val = atomic_cond_read_acquire(&lock->val, !(VAL & _Q_LOCKED_PENDING_MASK));

locked:
	/*
	 * claim the lock:
	 *
	 * n,0,0 -> 0,0,1 : lock, uncontended
	 * *,*,0 -> *,*,1 : lock, contended
	 *
	 * If the queue head is the only one in the queue (lock value == tail)
	 * and nobody is pending, clear the tail code and grab the lock.
	 * Otherwise, we only need to grab the lock.
	 */

	/*
	 * In the PV case we might already have _Q_LOCKED_VAL set, because
	 * of lock stealing; therefore we must also allow:
	 *
	 * n,0,1 -> 0,0,1
	 *
	 * Note: at this point: (val & _Q_PENDING_MASK) == 0, because of the
	 *       above wait condition, therefore any concurrent setting of
	 *       PENDING will make the uncontended transition fail.
	 */
	if ((val & _Q_TAIL_MASK) == tail) {
		if (atomic_try_cmpxchg_relaxed(&lock->val, &val, _Q_LOCKED_VAL))
			goto release; /* No contention */
	}

	/*
	 * Either somebody is queued behind us or _Q_PENDING_VAL got set
	 * which will then detect the remaining tail and queue behind us
	 * ensuring we'll see a @next.
	 */
	set_locked(lock);

	/*
	 * contended path; wait for next if not observed yet, release.
	 */
	if (!next)
		next = smp_cond_load_relaxed(&node->next, (VAL));

	arch_mcs_spin_unlock_contended(&next->locked);
	pv_kick_node(lock, next);

release:
	trace_contention_end(lock, 0);

	/*
	 * release the node
	 */
	__this_cpu_dec(qnodes[0].mcs.count);
}

확인 사항: 이 코드에서는 반환값보다 상태 변경을 먼저 확인한다. 어느 잠금을 획득한 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패 시 어느 레이블로 분기하는지, 변경된 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 사용하는지 추적한다.

함수별 분석

sleep할 수 없는 context에서 짧은 critical section을 보호하고 CPU 간 cacheline ownership을 직렬화한다.

이 섹션은 원본 코드 발췌를 함수 이름 단위로 끊어, 각 함수가 어떤 전제 조건을 만들고 다음 함수가 무엇을 소비하는지 추적한다.

그림 2. spinlock 함수 체인과 관찰 지점
entrycaller가 넘기는 객체와 context를 확정
do_raw_spin_lockuncontended acquire
queued_spin_lock_slowpathMCS-like tail 연결
observable statetracepoint, counter, sysfs/proc에서 확인되는 결과

각 노드는 독립 함수가 아니라 전제 조건을 생산하고 소비하는 연결점이다. 코드를 읽을 때는 노드 사이에서 어떤 필드가 바뀌는지 표시한다.

1. do_raw_spin_lock

do_raw_spin_lock 주변에서는 qspinlock val를 중심으로 본다. 이 필드는 locked/pending/tail bits 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 try fastpath 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 uncontended acquire을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: spinlock 안에서 sleep 가능한 API 호출

2. queued_spin_lock_slowpath

queued_spin_lock_slowpath 주변에서는 preempt_count를 중심으로 본다. 이 필드는 preemption/irq context accounting 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 queue slowpath 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 MCS-like tail 연결을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: irqsave가 local interrupt만 막는다는 점을 놓침

함수입력상태 변경검증 질문
do_raw_spin_lockqspinlock val, caller context, subsystem 전제 조건try fastpath: uncontended acquirespinlock 안에서 sleep 가능한 API 호출 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가
queued_spin_lock_slowpathpreempt_count, caller context, subsystem 전제 조건queue slowpath: MCS-like tail 연결irqsave가 local interrupt만 막는다는 점을 놓침 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가

구조체와 필드

여기서는 “어떤 구조체가 있다”가 아니라 그 필드가 어느 단계에서 쓰기 가능하고 어느 단계부터 관찰 가능한지를 본다. 필드의 뜻보다 보호 규칙이 먼저다.

그림 3. spinlock 핵심 필드 연결
qspinlock vallocked/pending/tail bits
preempt_countpreemption/irq context accounting
lockdep_mapdependency graph node
irqflagsinterrupt restore state

필드는 구조체 안에 흩어져 있지만, 실제 실행에서는 위 순서로 의미가 이어진다.

누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인.

필드읽는 법
qspinlock vallocked/pending/tail bits
preempt_countpreemption/irq context accounting
lockdep_mapdependency graph node
irqflagsinterrupt restore state

실행 단계와 상태 변화

실행 단계를 따로 정리하면 정상 경로와 실패 경로를 나란히 비교할 수 있다. 커널 문제는 최종 결과보다 준비가 덜 된 중간 상태를 다른 코드에 공개한 뒤, 실패 시 제대로 정리하지 못할 때 자주 발생한다.

그림 4. spinlock 실행 단계
try fastpathuncontended acquire
queue slowpathMCS-like tail 연결
critical sectionshared state mutation
unlockrelease ordering publish

화살표는 정상 진행 방향을 나타낸다. 중간 단계에서 실패하면 각 단계의 오류 처리 또는 대체 경로로 이동한다.

상태의미진입 조건깨지는 지점
try fastpathuncontended acquire앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
queue slowpathMCS-like tail 연결앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
critical sectionshared state mutation앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
unlockrelease ordering publish앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
spinlock 검토 기준 = 상태 변화 + 소유권 변화 + 외부 공개 시점

불변 조건과 실패 사례

lifetime

spinlock의 핵심 객체가 외부에 공개된 뒤에는 마지막 참조가 사라질 때까지 해제 경로가 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.

ordering

상태 필드를 바꾼 뒤 다른 CPU나 하위 계층이 관찰할 수 있다면 lock, barrier, refcount, RCU 중 어느 장치가 visibility를 보장하는지 확인한다.

오류 복구

중간 단계 실패는 성공 단계의 역순으로 되돌아가야 한다. goto label이 많은 코드는 label 이름보다 어느 resource가 이미 획득됐는지를 표로 적는다.

bring-up symptom

embedded bring-up에서는 panic보다 silence, timeout, deferred probe, interrupt flood처럼 간접 증상으로 드러나는 경우가 많다.

주의

spinlock 안에서 sleep 가능한 API 호출

주의

irqsave가 local interrupt만 막는다는 점을 놓침

주의

lock acquire가 object lifetime도 보장한다고 오해함

계측과 검증

계측은 printk 위치 경쟁이 아니라 가설 검증이다. 먼저 위 상태표에서 멈춘 state를 정하고, 그 state를 바꾸는 함수와 그 결과를 소비하는 함수를 동시에 본다.

로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인.

도구보는 것
lockdepspinlock 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
perf lockspinlock 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
KCSANspinlock 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
ftrace:queued_spin_lock_slowpathspinlock 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
기본 추적 경로:
# 예시: tracefs가 켜진 보드에서 토픽별 event를 좁혀 본다.
mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
echo function_graph > /sys/kernel/tracing/current_tracer
echo ':mod:*' > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter
cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe

추가 확인 사항

  • spinlock 의 state machine을 네 단계로 줄였을 때, 실제 코드에서 빠지는 intermediate state는 무엇인가?
  • spinlock 의 fast path가 생략한 검사는 어느 init path 또는 slow path에서 보증되는가?
  • 실험으로 확인한다면 'spinlock 안에서 sleep 가능한 API 호출' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?
  • 실험으로 확인한다면 'irqsave가 local interrupt만 막는다는 점을 놓침' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?