从零写OS（三十九）：自旋锁 —— 多核下的第一道防线

Thu, 04 Jun 2026 02:00:00 +0000

ch38 把两颗 CPU 都启动了，但这带来了一个新问题：两颗核心同时访问同一份数据会怎样？

考虑这个场景：CPU0 和 CPU1 同时调用 pmm_alloc() 申请物理页，都扫描到了同一个空闲位，都标记为"已用"，于是把同一个物理页分配给了两个不同的进程。这两个进程会互相覆盖对方的内存，然后崩溃。

这章实现自旋锁（spinlock），让同一时间只有一颗核心能进入临界区。

为什么普通变量不能做锁

直觉上，可以用一个整数变量做锁：

int lock = 0;

if (lock == 0) {   // CPU0 读到 0
    lock = 1;      // CPU1 也读到 0，同时进入！
    // 临界区
}

问题在于"读-判断-写"不是原子操作。两颗核心在读和写之间有一个竞争窗口，都能同时通过检查。

xchg：原子交换

x86 提供了 xchg 指令，它原子地交换寄存器和内存的值——读和写在硬件层面是不可分割的：

static inline void spin_lock(spinlock_t *lock) {
    uint32_t val = 1;
    __asm__ volatile (
        "1: xchgl %0, %1\n"  // 原子：把 1 写入 lock，把旧值读到 val
        "   testl %0, %0\n"  // 旧值为 0？
        "   jz 2f\n"         // 是 → 获锁成功
        "   pause\n"         // 否 → 稍等，再试
        "   jmp 1b\n"
        "2:\n"
        : "+r"(val), "+m"(lock->locked)
        :: "memory"
    );
}

xchg 隐含 lock 前缀，直接是总线级原子操作。如果拿到的旧值是 0，说明锁之前是空闲的，现在已经被我们锁上了。如果拿到的旧值是 1，说明别人持有锁，自旋等待。

原子操作 on 大飞的博客

从零写OS（三十九）：自旋锁 —— 多核下的第一道防线

为什么普通变量不能做锁

xchg：原子交换