文章总结： Linux内核TicketSpinlock通过引入排队机制解决传统自旋锁的公平性问题，利用next和current字段实现先来先服务。核心基于atomic_fetch_add原子操作分配唯一排队号，线程循环等待匹配。该设计杜绝了饥饿现象，但频繁读取同一变量可能引发缓存风暴，影响性能。
综合评分： 88
文章分类： 二进制安全

从无序竞争到有序排队：Linux 内核 Ticket Spin Lock 原理

原创

独钓孤舟雪

MyStackTrace

2025年12月11日 00:15
上海

Linux 内核中的 Ticket Spinlock 是一种非常精巧的设计，它通过引入排队的机制，优雅地解决了传统自旋锁的公平性问题。在 Ticket Spinlock 出现之前，传统的自旋锁（用一个整数表示，0 为空闲，1 为占用）存在显著的不公平性，所有竞争锁的 CPU 在锁释放时会同时尝试抢锁，这可能导致离锁内存地址近的、缓存状态更优的 CPU 更容易成功，而其他 CPU 可能长时间饥饿，Ticket Spinlock 的核心目标就是来解决这种问题，实现先来先服务（FIFO）的公平性。

Ticket Spinlock 的设计灵感来源于银行柜台的排队叫号系统，它的核心数据结构通常包含两个关键字段：

• 取号机上的最新号码：next new ticket，下一个请求锁的线程将获取到的这个值作为自己的 ticket，然后 next new ticket 自动加 1。
• 当前服务的号码：current service ticket，当前持有自旋锁的线程的 ticket，当前持有自旋锁的线程解锁的时候会对 current service ticket 加 1，相当于叫号了，持有对应号的线程就会抢到自旋锁。

当自旋锁被初始化时，next new ticket 和 current service ticket 都被设置为 0。当 next new ticket 和 current service ticket 相等时，表示自旋锁处于空闲状态，没有线程持有该自旋锁，否则自旋锁肯定是被某个线程持有的。

下面我们来看下在 Linux 内核中是如何在 x86 平台上实现 Ticket Spinlock 的，不同硬件平台上对  Ticket Spinlock 的实现略有不同，但思想都是一样的。

对于 Ticket Spinlock 来说，自旋锁最终的定义为 arch_spinlock_t 结构体，该结构体中就只有一个 atomic_t 类型的成员 val，这个原子变量用来表示该自旋锁是否被持有。这个原子变量是一个 32 位的变量，它的高 16 位表示 next new ticket，低 16 位表示 current service ticket。

函数 ticket_spin_lock 为 Ticket Spinlock 的加锁函数。一进该函数，首先是调 atomic_fetch_add， 这是一个原子性的“读-修改-写”操作，它一次性完成：读取 lock->val 的当前值到 val（这相当于是取号），然后将 1<<16 加到 lock->val 上，这是把 lock->val 的高 16 位加 1 （这相当是取号机上的号码刚被取走了一个，自动加一）。这里需要注意的是返回值 val：是加操作之前的旧值，假设当前 lock->val 为0，那么执行后 val = 0，lock->val 变为 0x00010000（高16位变为1）。这个原子操作（atomic_fetch_add）确保了每个竞争者都能获取到一个唯一且递增的排队号。

接下来的代码 “u16 ticket = val >> 16;” 表示从旧值 val 中提取出高 16 位，这就是当前线程的排队号（ticket），如果提取到的 ticket 和 val 的低 16 位，也就是 current service ticket 相等，则说明当前没有线程持有该自旋锁，那么当前排队线程自然就获取到自旋锁了，直接退出 ticket_spin_lock 函数。如果当前排队线程的 ticket 和 val 的低 16 位不相等，则说明该自旋锁当前已被其他线程持有，那么当前排队线程就需要等待（spin），等待的代码如下：

atomic_cond_read_acquire(&lock->val, ticket == (u16)VAL);

这是一个在循环中等待条件成立的宏，它会不断地读取 lock->val，直到传入的条件为真，这里的条件是：lock->val 的低 16 位，也就是 current service ticket（即 (u16)VAL）等于当前线程持有的 ticket。

下面是 Ticket Spinlock 的解锁函数 ticket_spin_unlock，解锁过程的核心是“叫下一个号”。

解锁函数的第一句代码如下：

u16 *ptr = (u16 *)lock + IS_ENABLED(CONFIG_CPU_BIG_ENDIAN);

这行代码的目的是得到一个指向 lock->val 中 current service ticket 字段（低16位）的指针。(u16 *)lock 将 lock 指针转换为 16 位无符号整数指针，指向其低地址部分。IS_ENABLED(CONFIG_CPU_BIG_ENDIAN) 在小端序（Little-Endian）CPU 上为 0，因此最终 ptr 指针指向 lock->val 低 16 位的地址，所以这第一句代码的意图是获取 current service ticket 字段的地址。拿到 current service ticket 字段的地址之后，通过 smp_store_release(ptr, (u16)val + 1) 来把 current service ticket 字段加 1 并写回去，这个操作相当于“叫号”。一旦 current service ticket 值被更新，正在等待的线程中，那个持有匹配 ticket的线程就会从 atomic_cond_read_acquire 中返回，从而获得锁。

这个 Ticket Spinlock 的实现非常精炼，其核心优势在于公平性，严格遵循先到先得的原则，避免了传统自旋锁由于“乱抢”导致的饥饿问题，它通过 atomic_fetch_add原子性地分配排队号，并通过 atomic_cond_read_acquire 和 smp_store_release 这类具有明确内存序语义的指令，高效且正确地在多核环境下实现同步。

在 Ticket Spinlock 中，所有等待的 CPU 都频繁读取同一个 current service ticket 变量，当一个 CPU 解锁更新 current service ticket 时，会导致其他所有 CPU 上缓存了该变量的缓存行失效，从而引发“缓存风暴”影响性能，所以Linux 内核又引入了一个更高级的排队自旋锁（queued_spin_lock）可以缓解这个问题，这个我们后面再介绍。

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