6.2 代码：Locks

Xv6有两种类型的锁：自旋锁（spinlocks）和睡眠锁（sleep-locks）。我们将从自旋锁（注：自旋，即循环等待）开始。Xv6将自旋锁表示为struct spinlock (kernel/spinlock.h:2)。结构体中的重要字段是locked，当锁可用时为零，当它被持有时为非零。从逻辑上讲，xv6应该通过执行以下代码来获取锁

void
acquire(struct spinlock* lk) // does not work!
{
  for(;;) {
    if(lk->locked == 0) {
      lk->locked = 1;
      break;
    }
  }
}

不幸的是，这种实现不能保证多处理器上的互斥。可能会发生两个CPU同时到达第5行，看到lk->locked为零，然后都通过执行第6行占有锁。此时就有两个不同的CPU持有锁，从而违反了互斥属性。我们需要的是一种方法，使第5行和第6行作为原子（即不可分割）步骤执行。

因为锁被广泛使用，多核处理器通常提供实现第5行和第6行的原子版本的指令。在RISC-V上，这条指令是amoswap r, a。amoswap读取内存地址a处的值，将寄存器r的内容写入该地址，并将其读取的值放入r中。也就是说，它交换寄存器和指定内存地址的内容。它原子地执行这个指令序列，使用特殊的硬件来防止任何其他CPU在读取和写入之间使用内存地址。

Xv6的acquire(kernel/spinlock.c:22)使用可移植的C库调用归结为amoswap的指令__sync_lock_test_and_set；返回值是lk->locked的旧（交换了的）内容。acquire函数将swap包装在一个循环中，直到它获得了锁前一直重试（自旋）。每次迭代将1与lk->locked进行swap操作，并检查lk->locked之前的值。如果之前为0，swap已经把lk->locked设置为1，那么我们就获得了锁；如果前一个值是1，那么另一个CPU持有锁，我们原子地将1与lk->locked进行swap的事实并没有改变它的值。

获取锁后，用于调试，acquire将记录下来获取锁的CPU。lk->cpu字段受锁保护，只能在保持锁时更改。

函数release(kernel/spinlock.c:47) 与acquire相反：它清除lk->cpu字段，然后释放锁。从概念上讲，release只需要将0分配给lk->locked。C标准允许编译器用多个存储指令实现赋值，因此对于并发代码，C赋值可能是非原子的。因此release使用执行原子赋值的C库函数__sync_lock_release。该函数也可以归结为RISC-V的amoswap指令。