BSP开发学习3内核并发处理

Posted 2022-11-22 与光同程

Linux 并发

Linux并发概述

可能引起Linux 内存混乱的原因

1. 多线程
2. 抢占
3. 中断
4. SMP多核

原子操作

Linux内核原子操作需要引用 include/linux/types.h

typedef struct 
 int counter;
 atomic_t;

atomic_t a; //定义 a
atomic_t b = ATOMIC_INIT(0); //定义原子变量 b 并赋初值为 0

函数	描述
ATOMIC_INIT(int i)	定义原子变量的时候对其初始化。
int atomic_read(atomic_t *v)	读取 v 的值，并且返回。
void atomic_set(atomic_t *v, int i)	向 v 写入 i 值。
void atomic_add(int i, atomic_t *v)	给 v 加上 i 值。
void atomic_sub(int i, atomic_t *v)	从 v 减去 i 值。
void atomic_inc(atomic_t *v)	给 v 加 1，也就是自增。
void atomic_dec(atomic_t *v)	从 v 减 1，也就是自减
int atomic_dec_return(atomic_t *v)	从 v 减 1，并且返回 v 的值。
int atomic_inc_return(atomic_t *v)	给 v 加 1，并且返回 v 的值。
int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v)	从 v 减 i，如果结果为 0 就返回真，否则返回假
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)	从 v 减 1，如果结果为 0 就返回真，否则返回假
int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)	给 v 加 1，如果结果为 0 就返回真，否则返回假
int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v)	给 v 加 i，如果结果为负就返回真，否则返回假
void set_bit(int nr, void *p)	将 p 地址的第 nr 位置 1。
void clear_bit(int nr,void *p)	将 p 地址的第 nr 位清零。
void change_bit(int nr, void *p)	将 p 地址的第 nr 位进行翻转。
int test_bit(int nr, void *p)	获取 p 地址的第 nr 位的值。
int test_and_set_bit(int nr, void *p)	将 p 地址的第 nr 位置 1，并且返回 nr 位原来的值。
int test_and_clear_bit(int nr, void *p)	将 p 地址的第 nr 位清零，并且返回 nr 位原来的值。
int test_and_change_bit(int nr, void *p)	将 p 地址的第 nr 位翻转，并且返回 nr 位原来的值。

自旋锁

把自旋锁比作一个变量 a，变量 a=1 的时候表示共享资源可用，当 a=0
的时候表示共享资源不可用。现在线程 A 要访问共享资源，发现 a=0(自旋锁被其他线程持有)，
那么线程 A 就会不断的查询 a 的值，直到 a=1。从这里我们可以看到自旋锁的一个缺点：那就
等待自旋锁的线程会一直处于自旋状态，这样会浪费处理器时间，降低系统性能，所以自旋锁
的持有时间不能太长。所以自旋锁适用于短时期的轻量级加锁

64 typedef struct spinlock 
65 union 
66 struct raw_spinlock rlock;
67
68 #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
69 # define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))
70 struct 
71 u8 __padding[LOCK_PADSIZE];
72 struct lockdep_map dep_map;
73 ;
74 #endif
75 ;
76  spinlock_t;

spinlock_t lock; //定义自旋锁

函数	描述
DEFINE_SPINLOCK(spinlock_t lock)	定义并初始化一个自选变量。
int spin_lock_init(spinlock_t *lock)	初始化自旋锁。
void spin_lock(spinlock_t *lock)	获取指定的自旋锁，也叫做加锁。
void spin_unlock(spinlock_t *lock)	释放指定的自旋锁。
int spin_trylock(spinlock_t *lock)	尝试获取指定的自旋锁，如果没有获取到就返回 0
int spin_is_locked(spinlock_t *lock)	检查指定的自旋锁是否被获取，如果没有被获取就返回非 0，否则返回 0。

函数	描述
void spin_lock_irq(spinlock_t *lock)	禁止本地中断，并获取自旋锁。
void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock)	激活本地中断，并释放自旋锁。
void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock,unsigned long flags)	保存中断状态，禁止本地中断，并获取自旋锁。
void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t*lock, unsigned long flags)	将中断状态恢复到以前的状态，并且激活本地中断，释放自旋锁。

函数	描述
void spin_lock_bh(spinlock_t *lock)	关闭下半部，并获取自旋锁。
void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock)	打开下半部，并释放自旋锁。

1 DEFINE_SPINLOCK(lock) /* 定义并初始化一个锁 */
2
3 /* 线程 A */
4 void functionA ()
5 unsigned long flags; /* 中断状态 */
6 spin_lock_irqsave(&lock, flags) /* 获取锁 */
7 /* 临界区 */
8 spin_unlock_irqrestore(&lock, flags) /* 释放锁 */
9 
10
11 /* 中断服务函数 */
12 void irq() 
13 spin_lock(&lock) /* 获取锁 */
14 /* 临界区 */
15 spin_unlock(&lock) /* 释放锁 */
16 

①、因为在等待自旋锁的时候处于“自旋”状态，因此锁的持有时间不能太长，一定要
短，否则的话会降低系统性能。如果临界区比较大，运行时间比较长的话要选择其他的并发处
理方式，比如信号量和互斥体。
②、自旋锁保护的临界区内不能调用任何可能导致线程休眠的 API 函数，否则的话可能
导致死锁。
③、不能递归申请自旋锁，因为一旦通过递归的方式申请一个你正在持有的锁，那么你就
必须“自旋”，等待锁被释放，然而你正处于“自旋”状态，根本没法释放锁。结果就是自己
把自己锁死了！
④、在编写驱动程序的时候我们必须考虑到驱动的可移植性，因此不管你用的是单核的还
是多核的 SOC，都将其当做多核 SOC 来编写驱动程序。

信号量

信号量的特点：
①、因为信号量可以使等待资源线程进入休眠状态，因此适用于那些占用资源比较久的场合。
②、因此信号量不能用于中断中，因为信号量会引起休眠，中断不能休眠。
③、如果共享资源的持有时间比较短，那就不适合使用信号量了，因为频繁的休眠、切换
线程引起的开销要远大于信号量带来的那点优势

struct semaphore 
 raw_spinlock_t lock;
 unsigned int count;
 struct list_head wait_list;
;

函数	描述
DEFINE_SEAMPHORE(name)	定义一个信号量，并且设置信号量的值为 1。
void sema_init(struct semaphore *sem, int val)	初始化信号量 sem，设置信号量值为 val。
void down(struct semaphore *sem)	获取信号量，因为会导致休眠，因此不能在中断中使用。
int down_trylock(struct semaphore *sem);	尝试获取信号量，如果能获取到信号量就获取，并且返回 0。如果不能就返回非 0，并且不会进入休眠。
int down_interruptible(struct semaphore *sem)	获取信号量，和 down 类似，只是使用 down 进入休眠状态的线程不能被信号打断。而使用此函数进入休眠以后是可以被信号打断的。
void up(struct semaphore *sem)	释放信号量

struct semaphore sem; /* 定义信号量 */
sema_init(&sem, 1); /* 初始化信号量 */
down(&sem); /* 申请信号量 */
/* 临界区 */
up(&sem); /* 释放信号量 */

互斥体

struct mutex 
 /* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */
 atomic_t count;
 spinlock_t wait_lock;
;

在使用 mutex 之前要先定义一个 mutex 变量。在使用 mutex 的时候要注意如下几点：
①、mutex 可以导致休眠，因此不能在中断中使用 mutex，中断中只能使用自旋锁。
②、和信号量一样，mutex 保护的临界区可以调用引起阻塞的 API 函数。
③、因为一次只有一个线程可以持有 mutex，因此，必须由 mutex 的持有者释放 mutex。并
且 mutex 不能递归上锁和解锁。

函数	描述
DEFINE_MUTEX(name)	定义并初始化一个 mutex 变量。
void mutex_init(mutex *lock)	初始化 mutex。
void mutex_lock(struct mutex *lock)	获取 mutex，也就是给 mutex 上锁。如果获取不到就进休眠。
void mutex_unlock(struct mutex *lock)	释放 mutex，也就给 mutex 解锁。
int mutex_trylock(struct mutex *lock)	尝试获取 mutex，如果成功就返回 1，如果失败就返回 0。
int mutex_is_locked(struct mutex *lock)	判断 mutex 是否被获取，如果是的话就返回1，否则返回 0。
int mutex_lock_interruptible(struct mutex *lock)	使用此函数获取信号量失败进入休眠以后可以被信号打断。

1 struct mutex lock; /* 定义一个互斥体 */
2 mutex_init(&lock); /* 初始化互斥体 */
3
4 mutex_lock(&lock); /* 上锁 */
5 /* 临界区 */
6 mutex_unlock(&lock); /* 解锁 */