arm驅(qū)動(dòng)linux并發(fā)與競(jìng)態(tài)并發(fā)控制

一、并發(fā)與競(jìng)態(tài)

1、并發(fā)：多個(gè)執(zhí)行單元同時(shí)被執(zhí)行。例如:同一個(gè)test.out可執(zhí)行程序被n次同時(shí)運(yùn)行
2、競(jìng)態(tài)：并發(fā)的執(zhí)行單元對(duì)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(wèn)導(dǎo)致的競(jìng)爭(zhēng)。
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(xiě)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(gè)進(jìn)程同時(shí)在運(yùn)行，一個(gè)執(zhí)行read，一個(gè)執(zhí)行write，那么執(zhí)行read的可能會(huì)讀取到第二個(gè)程序的寫(xiě)入值或只讀取到第二個(gè)程序部分寫(xiě)入值。
二、如何避免競(jìng)態(tài)：（有共享就有可能發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)）
方法：處理競(jìng)態(tài)的常用技術(shù)是加鎖或者互斥，對(duì)應(yīng)semaphore(旗標(biāo))機(jī)制、spin_lock機(jī)制
三、信號(hào)量（semaphore）機(jī)制

1、旗標(biāo)（信號(hào)量）

旗標(biāo)（信號(hào)量）：是一個(gè)整型值，結(jié)合一對(duì)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(gè)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?。诉M(jìn)程必須等待別的進(jìn)程釋放旗標(biāo)，解鎖旗標(biāo)通過(guò)調(diào)用up完成，up函數(shù)會(huì)增加旗標(biāo)的值。
Tip:Linux內(nèi)核的信號(hào)量在概念和原理上與用戶(hù)態(tài)的信號(hào)量是一樣的，但它不能在內(nèi)核之外使用

2、信號(hào)量機(jī)制編程

a)信號(hào)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(dòng)態(tài)初始化

信號(hào)的聲明初始化方式1)宏定義并初始化信號(hào)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(hào)量模板

DECLARE_MUTEX(name);//定義信號(hào)量
down(&name);//加鎖，保護(hù)臨界區(qū)在釋放鎖前，將訪問(wèn)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(hào)的聲明初始化方式2)動(dòng)態(tài)初始化方式

1、定義信號(hào)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(hào)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(shí)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)量為0時(shí)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(kāi)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(gè)互斥鎖，即它把信號(hào)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(gè)互斥鎖，但它把信號(hào)量sem的值設(shè)置為0，即一開(kāi)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(kāi)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(gè)可執(zhí)行單元持有。自旋鎖不會(huì)引起調(diào)用者睡眠，如果一個(gè)執(zhí)行線程試圖獲得一個(gè)已經(jīng)被持有的自旋鎖，那么這個(gè)線程就會(huì)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(gè)意思
2、自旋鎖的編程步驟a,b,c,d

a)聲明一個(gè)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(lái)spin_lock沒(méi)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(huì)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(duì)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(chǎng)景:有些設(shè)備只允許被打開(kāi)一次，那么就需要一個(gè)自旋鎖保護(hù)表示設(shè)備的打開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)的變量count。此處count屬于臨界資源，如果不對(duì)count進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)設(shè)備打開(kāi)頻繁時(shí)，可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的count計(jì)數(shù)。

模板五）只允許被打開(kāi)一次的設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(shí)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(hào)量所采用的"加鎖(down)---訪問(wèn)臨界區(qū)(critical section)---釋放鎖"的方式，被稱(chēng)為"互斥三部曲"。

五、總結(jié):編寫(xiě)對(duì)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(wèn)的驅(qū)動(dòng)程序場(chǎng)景，就要考慮避免競(jìng)態(tài)的發(fā)生；避免方法:信號(hào)量（或說(shuō)旗標(biāo)，semaphore）機(jī)制與spin_lock機(jī)制(自旋鎖)。

六、補(bǔ)充:信號(hào)量與自旋鎖對(duì)比
信號(hào)量可能允許有多個(gè)持有者，而自旋鎖在任何時(shí)候只能允許一個(gè)持有者。當(dāng)然也有信號(hào)量叫互斥信號(hào)量(只能一個(gè)持有者)，允許有多個(gè)持有者的信號(hào)量叫計(jì)數(shù)信號(hào)量。
信號(hào)量適合于保持時(shí)間較長(zhǎng)的情況；而自旋鎖適合于保持時(shí)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(shí)間也一般不會(huì)超過(guò)兩次上下文切換的時(shí)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(shí)間如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于兩次上下文切換，我們就應(yīng)該選擇信號(hào)量。