如何去获取Arm Spinlock的公平性呢

根据不同的arm CPU构架，可以用不同的方式来实现spinlock.

基于load-exclusive/store-exclusive（也是load linked, store conditional）这种retry机制的atomic操作实现的spinlock.

基于1同等方式，改进的ticket spinlock。

基于armv8.1-a LSE atomic机制的spinlock.

queued spinlock.

不同的机制会有不同的CPU获取到锁的公平性问题。为了得到比较直观感受，我写了一个test application，在big.LITTLE的A53+A73的平台，和在一个Neoverse N1的平台（因为N1支持armv8.1-a LSE）上运行，得到基于1，2，3机制的锁的机会数据。

这个测试程序创建两个线程，分别分配到不同的CPU核上运行，线程做的主要事情是获取一个锁，然后对一个锁保护的共享变量加1，并记录是哪个CPU加的，等这个变量加到一个特定数字时停下来，然后分析每个CPU加的次数，以此获得每个CPU获得到锁的次数。

测试结果
先贴出结果，
在big.LITTLE的A53+A73的平台上（因为不支持armv8.1 LSE, 所以只测1, 2）

在这个平台上A53是小核，有比A73更低的频率和性能。
可以看出，基于1的spinlock测试，A53能获取到锁的概率大致为8%，A73得到了90%以上获取到锁的概率。基于2的ticket spinlock可以改善A53获取到锁的概率到20%。主要是因为A53+A73+CCI的设计，对锁的访问因为MESI一致性协议的latency和在local cache里面做store-exclusive要比先通过MESI从别的CPU snoop过来然后再store-exclusive要快的原因。

在N1的平台的结果：

在这个平台上N1 CPU 通过mesh互联网络连接，他们在系统中硬件上处于同等的地位，频率和性能都是一样的。但是可以看出，还是由于在local cache里面做store-exclusive要比先通过MESI从别的CPU snoop过来然后再store-exclusive要快的原因，基于１的spinlock，N1 CPU0, 有80%的概率获得锁，基于ticket spinlock的测试中，CPU0有45%的概率获得到锁。基本上那个CPU首先获得到锁，后面更有机会获取到锁。基于３的测试中，因为采用了直接的atomic指令而不是１，２采用的retry的load－exclusive/store-exclusive　atomic方式，所以没有MESI协议的ping-pong效应，公平性较好，基本上50%.

近水楼台先得月和MESI乒乓

为了解释公平性其中的原因，需要理解MESI cache一致性协议和load-exclusive/store-exclusive，armv8.1-a LSE atomic实现spinlock的原理，这方面的文章非常多，就不多费口舌。

简单用几个图来说明MESI协议：


由图中可以看出，当在某个CPU的cache line处于MESI中的M，E状态时（表示这个数据只在这个CPU cache line有，其他CPU里没有），对这个cache line里面的数据的写，不是需要snoop，比较快速。
考虑到跨CPU cluster的MESI，完成snoop的过程会更长。

如果CPU比其他CPU慢，那么它发出的snoopable的访问需要在cache　coherency　logic（可以是L2 memory system或是CCI的PoS点）序列化排队时靠后。

再简单用一个图来表示基于1的spinlock的过程：

结合MESI协议来分析这个2 CPU循环抢锁的test application，

可以看出，即使是慢的CPU1先load-exclusive, 快的CPU0也可以先store-exclusive这个锁, 从而先获取到锁。
更重要的是，但CPU0 release这个锁的时候，做正常的store操作，会把cacheline变成是独占的M状态，然后在这个测试中CPU０又马上开始获取lock的过程，这时CPU０相当于近水楼台，它比要通过MESI snoop过程的CPU１有更多的机会再次获取到锁。

这个类似于去没有排号系统的餐馆吃饭，顾客都去抢桌子，没抢到桌子的顾客都在餐馆外面等着。但是如果吃完的顾客，刚离开桌子，马上又去抢桌子，外面的人或许还没来得及跑进来，那么他会有更多的机会抢到。
而ticket spinlock类似于有排号系统的餐馆，顾客去了先抢排队的号码，虽然大家一起抢号码还是快的人先抢到，但是在吃饭的顾客是不会和其他人竞争拿号码，吃完了需要再去拿新的号码。大家都是等号码轮上了才去吃。在一定程度上改善了公平性。

而基于armv8.1-a LSE的spinlock对lock的read-modify-write操作本身是原子的，不会发生load exclusive 到store exclusive中间被抢的情况，可以有较好的公平性。

原作者：修志龙_ZenonXiu