arm驅(qū)動linux并發(fā)與競態(tài)并發(fā)控制

一、并發(fā)與競態(tài)

1、并發(fā)：多個執(zhí)行單元同時被執(zhí)行。例如:同一個test.out可執(zhí)行程序被n次同時運(yùn)行
2、競態(tài)：并發(fā)的執(zhí)行單元對共享資源（硬件資源和軟件上的全局變量，靜態(tài)變量等）的訪問導(dǎo)致的競爭。
a)靜態(tài)的列子:

char *p;//全局變量
// 讀取函數(shù)
module_drv_read(struct file *file, constchar __user *buf, size_t count, loff_t * ppos)
{copy_to_user(buf, p, countt);}
//寫入函數(shù)
module_drv_write(struct file *file, constchar __user *buf, size_t count, loff_t * ppos)
{copy_from_user(p, buf, countt)}

如果有兩個進(jìn)程同時在運(yùn)行，一個執(zhí)行read，一個執(zhí)行write，那么執(zhí)行read的可能會讀取到第二個程序的寫入值或只讀取到第二個程序部分寫入值。
二、如何避免競態(tài)：（有共享就有可能發(fā)生競爭）
方法：處理競態(tài)的常用技術(shù)是加鎖或者互斥，對應(yīng)semaphore(旗標(biāo))機(jī)制、spin_lock機(jī)制
三、信號量（semaphore）機(jī)制

1、旗標(biāo)（信號量）

旗標(biāo)（信號量）：是一個整型值，結(jié)合一對函數(shù)void down(struct semaphore * sem)、void up(struct semaphore *sem)，如果旗標(biāo)的值大于0，這個值將減一并且繼續(xù)進(jìn)程。相反，如果旗標(biāo)的值是0（或者更?。?，此進(jìn)程必須等待別的進(jìn)程釋放旗標(biāo)，解鎖旗標(biāo)通過調(diào)用up完成，up函數(shù)會增加旗標(biāo)的值。
Tip:Linux內(nèi)核的信號量在概念和原理上與用戶態(tài)的信號量是一樣的，但它不能在內(nèi)核之外使用

2、信號量機(jī)制編程

a)信號的聲明初始化有兩種方式：方式1宏定義并初始化；方式2動態(tài)初始化

信號的聲明初始化方式1)宏定義并初始化信號量的快捷方式

DECLARE_MUTEX(name)
DECLARE_MUTEX_LOCKED(name)

內(nèi)核代碼1)DECLARE_MUTEX和DECLARE_MUTEX_LOCKED他們的內(nèi)核代碼為

#define DECLARE_MUTEX(name) __DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name, 1)
#define DECLARE_MUTEX_LOCKED(name) __DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name, 0)
//__DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC的內(nèi)核代碼
#define __DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name,count)
structsemaphore name = __SEMAPHORE_INITIALIZER (name,count)

模板一)宏定義初始化方式信號量模板

DECLARE_MUTEX(name);//定義信號量
down(&name);//加鎖，保護(hù)臨界區(qū)在釋放鎖前，將訪問本臨界區(qū)的進(jìn)程加入等待隊(duì)列中
//....要修改全局變量在這修改.....
up(&name)//釋放鎖

信號的聲明初始化方式2)動態(tài)初始化方式

1、定義信號量結(jié)構(gòu)體 struct semaphore sem;

structsemaphore sem;

結(jié)構(gòu)體一)struct semaphore內(nèi)核源碼

struct semaphore {
atomic_t count;//旗號數(shù)值
intsleepers;
wait_queue_head_t wait;//等待隊(duì)列
};

2、初始化結(jié)構(gòu)體struct semaphore sem有兩種方式,宏定義初始化與函數(shù)初始化

初始化結(jié)構(gòu)體sem方式a)用函數(shù)sema_init (struct semaphore *sem, int val)初始化結(jié)構(gòu)體struct semaphore sem。

內(nèi)核源碼二)sema_init內(nèi)核原型代碼

static inline void sema_init (structsemaphore *sem, intval)
{
atomic_set(&sem->count, val);
init_waitqueue_head(&sem->wait);
//如果進(jìn)程調(diào)用down時，發(fā)現(xiàn)信號量為0時就將進(jìn)程加入到sem->wait等待隊(duì)列中
}

模板二）sema_init初始化模板

struct semaphore sem;
sema_init (&sem, 1);一開始就將旗標(biāo)置1
down(&sem);
up(&sem);

初始化結(jié)構(gòu)體sem方式b)宏初始化，分為將sem的旗標(biāo)直接初始化為1和0的兩種宏初始化方法

1)init_MUTEX (struct semaphore *sem)將semaphore的旗標(biāo)初始化為1

內(nèi)核源碼三)init_MUTEX內(nèi)核原型代碼

staticinline voidinit_MUTEX (struct semaphore *sem)
{
sema_init(sem, 1);//可以看出調(diào)用了上面的sema_init函數(shù)
// 該函數(shù)用于初始化一個互斥鎖，即它把信號量sem的值設(shè)置為1
}

2)init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem)將semaphore的旗標(biāo)初始化為0

內(nèi)核源碼四)init_MUTEX_LOCKED內(nèi)核原型代碼

staticinlinevoidinit_MUTEX_LOCKED (structsemaphore *sem)
{
sema_init(sem, 0);
//該函數(shù)也用于初始化一個互斥鎖，但它把信號量sem的值設(shè)置為0，即一開始就處在已鎖狀態(tài)。
}

模板三）宏初始化模板變量sem

struct semaphore sem;
init_MUTEX(&sem);一開始就將旗標(biāo)置1
down(&sem);
up(&sem);

四、自旋鎖
1、 概念:自旋鎖最多只能被一個可執(zhí)行單元持有。自旋鎖不會引起調(diào)用者睡眠，如果一個執(zhí)行線程試圖獲得一個已經(jīng)被持有的自旋鎖，那么這個線程就會一直進(jìn)行忙循環(huán)，一直等待下去，在那里看是否該自旋鎖的保持者已經(jīng)釋放了鎖，“自旋”就是這個意思
2、自旋鎖的編程步驟a,b,c,d

a)聲明一個spinlock_t 變量lock

spinlock_t lock;

b)初始化spinlock_t 變量lock

有兩種初始化方式:宏初始化與函數(shù)初始化

1)宏初始化方法SPIN_LOCK_UNLOCKED

spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;

2)函數(shù)初始化方法spin_lock_init(lock)

spin_lock_init(lock)

內(nèi)核源碼五)spin_lock_init的內(nèi)核源碼

//內(nèi)核源碼spin_lock_init發(fā)現(xiàn)使用SPIN_LOCK_UNLOCKED
#define spin_lock_init(lock) do{ *(lock) = SPIN_LOCK_UNLOCKED; } while(0)

c)獲得自旋鎖

1、獲得自旋鎖,spin_lock(lock) ;如果成功，立即獲得鎖，并馬上返回，否則它將一直自旋在那里，直到該自旋鎖的保持者釋放。

spin_lock(lock)
//獲取自旋鎖lock，如果成功，立即獲得鎖，并馬上返回，否則它將一直自旋在那里，直到該自旋鎖的保持者釋放。

內(nèi)核源碼六)spin_lock(lock)內(nèi)核源碼分析

//源碼內(nèi)核(可以看出來spin_lock沒有獲取鎖，它將一直做while循環(huán))
spin_lock(lock) _spin_lock(lock)
#define _spin_lock(lock) __LOCK(lock)
#define __LOCK(lock) do{ preempt_disable(); __acquire(lock); (void)(lock); } while(0)
#define preempt_disable() do{ } while(0)
//preempt_disable做空循環(huán)

2、試圖獲取自旋鎖函數(shù)的spin_trylock(lock)，如果能立即獲得鎖，并返回真，否則立即返回假。它不會一直等待被釋放。（spin_trylock(lock)不做忙等待）
d)釋放自旋鎖lock，函數(shù)spin_unlock(lock) 它與spin_trylock或spin_lock配對使用。

3、自旋鎖spinlock使用模板

模板四）自玄鎖模板

spinlock_t lock;
spin_lock_init(&lock);
spin_lock(&lock);
spin_unlock(&lock);

Tip:將要保護(hù)的值（全局變量，靜態(tài)變量，硬件資源）放在spin_lock(&lock)與spin_unlock(&lock)之間操作

spin_lock(&lock);
//改變要保護(hù)的全局變量或硬件資源或靜態(tài)變量（共享變量）
spin_unlock(&lock);

4、特殊使用場景:有些設(shè)備只允許被打開一次，那么就需要一個自旋鎖保護(hù)表示設(shè)備的打開和關(guān)閉狀態(tài)的變量count。此處count屬于臨界資源，如果不對count進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)設(shè)備打開頻繁時，可能出現(xiàn)錯誤的count計數(shù)。

模板五）只允許被打開一次的設(shè)備驅(qū)動模板

intcount = 0;
spinlock_t lock;
intxxx_init(void){
//...其他代碼..
spin_lock_init(&lock);
//...其他代碼..
}
intxxx_open(structinode *inode, structfile *file){
spin_lock(&lock);//如果相同程序的進(jìn)程要用open，那么其他進(jìn)程就進(jìn)入忙等到while(1)
if(count){
spin_unlock(&lock);
return-EBUSY;
}
count++;
spin_unlock(&lock);
//.....
}
intxxx_release(structinode *inode, structfile *file){
//....
spin_lock(&lock);//關(guān)閉時也要進(jìn)行spin_lock保護(hù)，因?yàn)閏ount是全局變量，要改變count就要加自旋鎖
count--;
spin_unlock(&lock);
//.....
}

Tip:linux自旋鎖和信號量所采用的"加鎖(down)---訪問臨界區(qū)(critical section)---釋放鎖"的方式，被稱為"互斥三部曲"。

五、總結(jié):編寫對共享資源（硬件資源和軟件上的全局變量，靜態(tài)變量等）的訪問的驅(qū)動程序場景，就要考慮避免競態(tài)的發(fā)生；避免方法:信號量（或說旗標(biāo)，semaphore）機(jī)制與spin_lock機(jī)制(自旋鎖)。

六、補(bǔ)充:信號量與自旋鎖對比
信號量可能允許有多個持有者，而自旋鎖在任何時候只能允許一個持有者。當(dāng)然也有信號量叫互斥信號量(只能一個持有者)，允許有多個持有者的信號量叫計數(shù)信號量。
信號量適合于保持時間較長的情況；而自旋鎖適合于保持時間非常短的情況，在實(shí)際應(yīng)用中自旋鎖控制的代碼只有幾行，而持有自旋鎖的時間也一般不會超過兩次上下文切換的時間，因?yàn)榫€程一旦要進(jìn)行切換，就至少花費(fèi)切出切入兩次，自旋鎖的占用時間如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于兩次上下文切換，我們就應(yīng)該選擇信號量。