Linux 并发与竞争实验

Posted 2021-12-09 行稳方能走远

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• 原子操作实验
• • 实验程序编写
  • 运行测试
• 自旋锁实验
• • 实验程序编写
  • 运行测试
• 信号量实验
• • 实验程序编写
  • 运行测试
  • 实验程序编写
  • 运行测试

在上一章中我们学习了Linux 下的并发与竞争，并且学习了四种常用的处理并发和竞争的机制：原子操作、自旋锁、信号量和互斥体。本章我们就通过四个实验来学习如何在驱动中使用这四种机制。

原子操作实验

本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 2、Linux 驱动例程-> 7_atomic。
本例程我们在第四十五章的gpioled.c 文件基础上完成。在本节使用中我们使用原子操作来实现对LED 这个设备的互斥访问，也就是一次只允许一个应用程序可以使用LED 灯。

实验程序编写

1、修改设备树文件
因为本章实验是在第四十五章实验的基础上完成的，因此不需要对设备树做任何的修改。

2、LED 驱动修改
本节实验在第四十五章实验驱动文件gpioled.c 的基础上修改而来。新建名为“7_atomic”的文件夹，然后在7_atomic 文件夹里面创建vscode 工程，工作区命名为“atomic”。将5_gpioled实验中的gpioled.c 复制到7_atomic 文件夹中，并且重命名为atomic.c。本节实验重点就是使用atomic 来实现一次只能允许一个应用访问LED，所以我们只需要在atomic.c 文件源码的基础上加上添加atomic 相关代码即可，完成以后的atomic.c 文件内容如下所示：

1 #include <linux/types.h>
2 #include <linux/kernel.h>
3 #include <linux/delay.h>
4 #include <linux/ide.h>
5 #include <linux/init.h>
6 #include <linux/module.h>
7 #include <linux/errno.h>
8 #include <linux/gpio.h>
9 #include <linux/cdev.h>
10 #include <linux/device.h>
11 #include <linux/of.h>
12 #include <linux/of_address.h>
13 #include <linux/of_gpio.h>
14 #include <asm/mach/map.h>
15 #include <asm/uaccess.h>
16 #include <asm/io.h>
17 /***************************************************************
18 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
19 文件名: atomic.c
20 作者: 左忠凯
21 版本: V1.0
22 描述: 原子操作实验，使用原子变量来实现对实现设备的互斥访问
23 其他: 无
24 论坛: www.openedv.com
25 日志: 初版V1.0 2019/7/18 左忠凯创建
26 ***************************************************************/

第42 行，原子变量lock，用来实现一次只能允许一个应用访问LED 灯，led_init 驱动入口函数会将lock 的值设置为1。

第57~60 行，每次调用open 函数打开驱动设备的时候先申请lock，如果申请成功的话就表示LED 灯还没有被其他的应用使用，如果申请失败就表示LED 灯正在被其他的应用程序使用。每次打开驱动设备的时候先使用atomic_dec_and_test 函数将lock 减1，如果atomic_dec_and_test
函数返回值为真就表示lock 当前值为0，说明设备可以使用。如果atomic_dec_and_test 函数返
回值为假，就表示lock 当前值为负数(lock 值默认是1)，lock 值为负数的可能性只有一个，那就是其他设备正在使用LED。其他设备正在使用LED 灯，那么就只能退出了，在退出之前调用函数atomic_inc 将lock 加1，因为此时lock 的值被减成了负数，必须要对其加1，将lock 的值变为0。

第120 行，LED 灯使用完毕，应用程序调用close 函数关闭的驱动文件，led_release 函数执行，调用atomic_inc 释放lcok，也就是将lock 加1。
第143 行，初始化原子变量lock，初始值设置为1，这样每次就只允许一个应用使用LED灯。

3、编写测试APP
新建名为atomicApp.c 的测试APP，在里面输入如下所示内容：

1 #include "stdio.h"
2 #include "unistd.h"
3 #include "sys/types.h"
4 #include "sys/stat.h"
5 #include "fcntl.h"
6 #include "stdlib.h"
7 #include "string.h"
8 /***************************************************************
9 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
10 文件名: atomicApp.c
11 作者: 左忠凯
12 版本: V1.0
13 描述: 原子变量测试APP，测试原子变量能不能实现一次
14 只允许一个应用程序使用LED。
15 其他: 无
16 使用方法：./atomicApp /dev/gpioled 0 关闭LED灯
17 ./atomicApp /dev/gpioled 1 打开LED灯
18 论坛: www.openedv.com
19 日志: 初版V1.0 2019/1/30 左忠凯创建
20 ***************************************************************/
21
22 #define LEDOFF 0
23 #define LEDON 1
24
25 /*
26 * @description : main主程序
27 * @param - argc : argv数组元素个数
28 * @param - argv : 具体参数
29 * @return : 0 成功;其他失败
30 */
31 int main(int argc, char *argv[])
32 {
33 int fd, retvalue;
34 char *filename;
35 unsigned char cnt = 0;
36 unsigned char databuf[1];
37
38 if(argc != 3){
39 printf("Error Usage!\\r\\n");
40 return -1;

atomicApp.c 中的内容就是在第四十五章的ledAPP.c 的基础上修改而来的，重点是加入了第63~68 行的模拟占用25 秒LED 的代码。测试APP 在获取到LED 灯驱动的使用权以后会使用25S，在使用的这段时间如果有其他的应用也去获取LED 灯使用权的话肯定会失败！

运行测试

1、编译驱动程序
编写Makefile 文件，本章实验的Makefile 文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m 变量的值改为atomic.o，Makefile 内容如下所示：

1 KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m := atomic.o
......
11 clean:
12 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

第4 行，设置obj-m 变量的值为atomic.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：

make -j32

编译成功以后就会生成一个名为“atomic.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试APP
输入如下命令编译测试atomicApp.c 这个测试程序：

arm-linux-gnueabihf-gcc atomicApp.c -o atomicApp

编译成功以后就会生成atomicApp 这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的atomic.ko 和atomicApp 这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载atomic.ko 驱动模块：

depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe atomic.ko //加载驱动

驱动加载成功以后就可以使用atomicApp 软件来测试驱动是否工作正常，输入如下命令以后台运行模式打开LED 灯，“&”表示在后台运行atomicApp 这个软件：

./atomicApp /dev/gpioled 1& //打开LED 灯

输入上述命令以后观察开发板上的红色LED 灯是否点亮，然后每隔5 秒都会输出一行“App running times ”，如图48.1.2.1 所示：

从图48.1.2.1 可以看出，atomicApp 运行正常，输出了“App running times:1”和“App running times:2”，这就是模拟25S 占用，说明atomicApp 这个软件正在使用LED 灯。此时再输入如下命令关闭LED 灯：

./atomicApp /dev/gpioled 0 //关闭LED 灯

输入上述命令以后会发现如图48.1.2.2 所示输入信息：

从图48.1.2.2 可以看出，打开/dev/gpioled 失败！原因是在图48.1.2.1 中运行的atomicAPP
软件正在占用/dev/gpioled，如果再次运行atomicApp 软件去操作/dev/gpioled 肯定会失败。必须
等待图48.1.2.1中的atomicApp 运行结束，也就是25S 结束以后其他软件才能去操作/dev/gpioled。
这个就是采用原子变量实现一次只能有一个应用程序访问LED 灯。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod atomic.ko

自旋锁实验

上一节我们使用原子变量实现了一次只能有一个应用程序访问LED 灯，本节我们使用自旋锁来实现此功能。在使用自旋锁之前，先回顾一下自旋锁的使用注意事项：
①、自旋锁保护的临界区要尽可能的短，因此在open 函数中申请自旋锁，然后在release 函数中释放自旋锁的方法就不可取。我们可以使用一个变量来表示设备的使用情况，如果设备被使用了那么变量就加一，设备被释放以后变量就减1，我们只需要使用自旋锁保护这个变量即可。
②、考虑驱动的兼容性，合理的选择API 函数。

综上所述，在本节例程中，我们通过定义一个变量dev_stats 表示设备的使用情况，dev_stats为0 的时候表示设备没有被使用，dev_stats 大于0 的时候表示设备被使用。驱动open 函数中先判断dev_stats 是否为0，也就是判断设备是否可用，如果为0 的话就使用设备，并且将dev_stats加1，表示设备被使用了。使用完以后在release 函数中将dev_stats 减1，表示设备没有被使用了。因此真正实现设备互斥访问的是变量dev_stats，但是我们要使用自旋锁对dev_stats 来做保护。

实验程序编写

1、修改设备树文件
本章实验是在上一节实验的基础上完成的，同样不需要对设备树做任何的修改。

2、LED 驱动修改
本节实验在第上一节实验驱动文件atomic.c 的基础上修改而来。新建名为“8_spinlock”的文件夹，然后在8_spinlock 文件夹里面创建vscode 工程，工作区命名为“spinlock”。将7_atomic实验中的atomic.c 复制到8_spinlock 文件夹中，并且重命名为spinlock.c。将原来使用atomic 的地方换为spinlock 即可，其他代码不需要修改，完成以后的spinlock.c 文件内容如下所示(有省
略)：

1 #include <linux/types.h>
2 #include <linux/kernel.h>
3 #include <linux/delay.h>
4 #include <linux/ide.h>
5 #include <linux/init.h>
......
17 /***************************************************************
18 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
19 文件名: spinlock.c

第43 行，dev_stats 表示设备状态，如果为0 的话表示设备还没有被使用，如果大于0 的话就表示设备已经被使用了。
第44 行，定义自旋锁变量lock。
第61~67 行，使用自旋锁实现对设备的互斥访问，第61 行调用spin_lock_irqsave 函数获取锁，为了考虑到驱动兼容性，这里并没有使用spin_lock 函数来获取锁。第62 行判断dev_stats 是否大于0，如果是的话表示设备已经被使用了，那么就调用spin_unlock_irqrestore函数释放锁，并且返回-EBUSY。如果设备没有被使用的话就在第66 行将dev_stats 加1，表
示设备要被使用了，然后调用spin_unlock_irqrestore 函数释放锁。自旋锁的工作就是保护dev_stats 变量，真正实现对设备互斥访问的是dev_stats。
第126~131 行，在release 函数中将dev_stats 减1，表示设备被释放了，可以被其他的应用程序使用。将dev_stats 减1 的时候需要自旋锁对其进行保护。
第155 行，在驱动入口函数led_init 中调用spin_lock_init 函数初始化自旋锁。
3、编写测试APP

测试APP 使用48.1.1 小节中的atomicApp.c 即可，将7_atomic 中的atomicApp.c 文件到本例程中，并将atomicApp.c 重命名为spinlockApp.c 即可。

运行测试

1、编译驱动程序
编写Makefile 文件，本章实验的Makefile 文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m 变量的值改为spinlock.o，Makefile 内容如下所示：

1 KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m := spinlock.o
......
11 clean:
12 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

第4 行，设置obj-m 变量的值为spinlock.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：

make -j32

编译成功以后就会生成一个名为“spinlock.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试APP
输入如下命令编译测试spinlockApp.c 这个测试程序：

arm-linux-gnueabihf-gcc spinlockApp.c -o spinlockApp

编译成功以后就会生成spinlockApp 这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的spinlock.ko 和spinlockApp 这两个文件拷贝到
rootfs/lib/modules/4.1.15 目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载spinlock.ko 驱动模块：

depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe spinlock.ko //加载驱动

驱动加载成功以后就可以使用spinlockApp 软件测试驱动是否工作正常，测试方法和48.1.2小节中一样，先输入如下命令让spinlockAPP 软件模拟占用25S 的LED 灯：

./spinlockApp /dev/gpioled 1& //打开LED 灯

紧接着再输入如下命令关闭LED 灯：

./spinlockApp /dev/gpioled 0 //关闭LED 灯

看一下能不能关闭LED 灯，驱动正常工作的话并不会马上关闭LED 灯，会提示你“file /dev/gpioled open failed!”，必须等待第一个spinlockApp 软件运行完成(25S 计时结束)才可以再次操作LED 灯。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod spinlock.ko

信号量实验

本节我们来使用信号量实现了一次只能有一个应用程序访问LED 灯，信号量可以导致休眠，因此信号量保护的临界区没有运行时间限制，可以在驱动的open 函数申请信号量，然后在release 函数中释放信号量。但是信号量不能用在中断中，本节实验我们不会在中断中使用信号量。

实验程序编写

1、修改设备树文件
本章实验是在上一节实验的基础上完成的，同样不需要对设备树做任何的修改。

2、LED 驱动修改
本节实验在第上一节实验驱动文件spinlock.c 的基础上修改而来。新建名为“9_semaphore”的文件夹，然后在9_semaphore 文件夹里面创建vscode 工程，工作区命名为“semaphore”。将8_spinlock 实验中的spinlock.c 复制到9_semaphore 文件夹中，并且重命名为semaphore.c。将原来使用到自旋锁的地方换为信号量即可，其他的内容基本不变，完成以后的semaphore.c 文件内容如下所示(有省略)：

1 #include <linux/types.h>
......
14 #include <linux/semaphore.h>
15 #include <asm/mach/map.h>
16 #include <asm/uaccess.h>
17 #include <asm/io.h>
18 /***************************************************************
19 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
20 文件名: semaphore.c
21 作者: 左忠凯
22 版本: V1.0
23 描述: 信号量实验，使用信号量来实现对实现设备的互斥访问
24 其他: 无
25 论坛: www.openedv.com
26 日志: 初版V1.0 2019/7/18 左忠凯创建
27 ***************************************************************/
28 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数*/
29 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字*/
30 #define LEDOFF 0 /* 关灯*/
31 #define LEDON 1 /* 开灯*/
32
33 /* gpioled设备结构体*/
34 struct gpioled_dev{
35 dev_t devid; /* 设备号*/
36 struct cdev cdev; /* cdev */

第14 行，要使用信号量必须添加<linux/semaphore.h>头文件。
第43 行，在设备结构体中添加一个信号量成员变量sem。
第60~65 行，在open 函数中申请信号量，可以使用down 函数，也可以使用down_interruptible函数。如果信号量值大于等于1 就表示可用，那么应用程序就会开始使用LED 灯。如果信号量值为0 就表示应用程序不能使用LED 灯，此时应用程序就会进入到休眠状态。等到信号量值大于1 的时候应用程序就会唤醒，申请信号量，获取LED 灯使用权。
第123 行，在release 函数中调用up 函数释放信号量，这样其他因为没有得到信号量而进入休眠状态的应用程序就会唤醒，获取信号量。
第147 行，在驱动入口函数中调用sema_init 函数初始化信号量sem 的值为1，相当于sem
是个二值信号量。

总结一下，当信号量sem 为1 的时候表示LED 灯还没有被使用，如果应用程序A 要使用LED 灯，先调用open 函数打开/dev/gpioled，这个时候会获取信号量sem，获取成功以后sem 的值减1 变为0。如果此时应用程序B 也要使用LED 灯，调用open 函数打开/dev/gpioled 就会因为信号量无效(值为0)而进入休眠状态。当应用程序A 运行完毕，调用close 函数关闭/dev/gpioled
的时候就会释放信号量sem，此时信号量sem 的值就会加1，变为1。信号量sem 再次有效，表示其他应用程序可以使用LED 灯了，此时在休眠状态的应用程序B 就会获取到信号量sem，获取成功以后就开始使用LED 灯。

3、编写测试APP
测试APP 使用48.1.1 小节中的atomicApp.c 即可，将7_atomic 中的atomicApp.c 文件到本例程中，并将atomicApp.c 重命名为semaApp.c 即可。

运行测试

1、编译驱动程序
编写Makefile 文件，本章实验的Makefile 文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m 变量的值改为semaphore.o，Makefile 内容如下所示：

1 KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m := semaphore.o
......
11 clean:
12 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

第4 行，设置obj-m 变量的值为semaphore.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：

make -j32

编译成功以后就会生成一个名为“semaphore.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试APP

输入如下命令编译测试semaApp.c 这个测试程序：

arm-linux-gnueabihf-gcc semaApp.c -o semaApp

编译成功以后就会生成semaApp 这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的semaphore.ko 和semaApp 这两个文件拷贝到
rootfs/lib/modules/4.1.15 目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令
加载semaphore.ko 驱动模块：

depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe semaphore.ko //加载驱动

驱动加载成功以后就可以使用semaApp 软件测试驱动是否工作正常，测试方法和48.1.2 小
节中一样，先输入如下命令让semaApp 软件模拟占用25S 的LED 灯：

./ semaApp /dev/gpioled 1& //打开LED 灯

紧接着再输入如下命令关闭LED 灯：

./ semaApp /dev/gpioled 0& //关闭LED 灯

注意两个命令都是运行在后台，第一条命令先获取到信号量，因此可以操作LED 灯，将LED 灯打开，并且占有25S。第二条命令因为获取信号量失败而进入休眠状态，等待第一条命令运行完毕并释放信号量以后才拥有LED 灯使用权，将LED 灯关闭，运行结果如图48.3.2.1 所示：

如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod semaphore.ko

48.4 互斥体实验
前面我们使用原子操作、自旋锁和信号量实现了对LED 灯的互斥访问，但是最适合互斥的就是互斥体mutex 了。本节我们来学习一下如何使用mutex 实现对LED 灯的互斥访问。

实验程序编写

1、修改设备树文件
本章实验是在上一节实验的基础上完成的，同样不需要对设备树做任何的修改。
2、LED 驱动修改
本节实验在第上一节实验驱动文件semaphore.c 的基础上修改而来。新建名为“10_mutex”的文件夹，然后在10_mutex 文件夹里面创建vscode 工程，工作区命名为“mutex”。将9_semaphore实验中的semaphore.c 复制到10_mutex 文件夹中，并且重命名为mutex.c。将原来使用到信号量的地方换为mutex 即可，其他的内容基本不变，完成以后的mutex.c 文件内容如下所示(有省略)：

1 #include <linux/types.h>
......
17 #include <asm/io.h>
18 /***************************************************************
19 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
20 文件名: mutex.c
21 作者: 左忠凯
22 版本: V1.0
23 描述: 互斥体实验，使用互斥体来实现对实现设备的互斥访问
24 其他: 无
25 论坛: www.openedv.com
26 日志: 初版V1.0 2019/7/18 左忠凯创建
27 ***************************************************************/
28 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数*/
29 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字*/
30 #define LEDOFF 0 /* 关灯*/
31 #define LEDON 1 /* 开灯*/
32
33 /* gpioled设备结构体*/
34 struct gpioled_dev{
35 dev_t devid; /* 设备号*/
36 struct cdev cdev; /* cdev */
37 struct class *class; /* 类*/
38 struct device *device; /* 设备*/
39 int major; /* 主设备号*/
40 int minor; /* 次设备号*/
41 struct device_node *nd; /* 设备节点*/
42 int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号*/
43 struct mutex lock; /* 互斥体*/
44 };
45
46 struct gpioled_dev gpioled; /* led设备*/
47
48 /*
49 * @description : 打开设备
50 * @param – inode : 传递给驱动的inode
51 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
52 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。

第43 行，定义互斥体lock。
第60~65 行，在open 函数中调用mutex_lock_interruptible 或者mutex_lock 获取mutex，成功的话就表示可以使用LED 灯，失败的话就会进入休眠状态，和信号量一样。
第124 行，在release 函数中调用mutex_unlock 函数释放mutex，这样其他应用程序就可以获取mutex 了。
第148 行，在驱动入口函数中调用mutex_init 初始化mutex。
互斥体和二值信号量类似，只不过互斥体是专门用于互斥访问的。
3、编写测试APP
测试APP 使用48.1.1 小节中的atomicApp.c 即可，将7_atomic 中的atomicApp.c 文件到本例程中，并将atomicApp.c 重命名为mutexApp.c 即可。

运行测试

1、编译驱动程序
编写Makefile 文件，本章实验的Makefile 文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m 变量的值改为mutex.o，Makefile 内容如下所示：

1 KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m := mutex.o
......
11 clean:
12 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

第4 行，设置obj-m 变量的值为mutex.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：

make -j32

编译成功以后就会生成一个名为“mutex.ko”的驱动模块文件。

2、编译测试APP
输入如下命令编译测试mutexApp.c 这个测试程序：

arm-linux-gnueabihf-gcc mutexApp.c -o mutexApp

编译成功以后就会生成mutexApp 这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的mutex.ko 和mutexApp 这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载mutex.ko 驱动模块：

depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe mutex.ko //加载驱动

驱动加载成功以后就可以使用mutexApp 软件测试驱动是否工作正常，测试方法和48.3.2中测试信号量的方法一样。

如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod mutex.ko