Linux内核并发与竞争-原子操作

Posted 2023-03-03 Wireless_Link

一.原子操作的概念

首先看一下原子操作，原子操作就是指不能再进一步分割的操作，一般原子操作用于变量或者位操作。假如现在要对无符号整形变量 a 赋值，值为 3，对于 C 语言来讲很简单，直接就是： a=3

但是 C 语言要先编译为成汇编指令， ARM 架构不支持直接对寄存器进行读写操作，比如要借助寄存器 R0、 R1 等来完成赋值操作。假设变量 a 的地址为 0X3000000，“a=3”这一行 C语言可能会被编译为如下所示的汇编代码：

ldr r0, =0X30000000 /* 变量 a 地址 */

ldr r1, = 3 /* 要写入的值 */

str r1, [r0] /* 将 3 写入到 a 变量中 */

示例代码 只是一个简单的举例说明，实际的结果要比示例代码复杂的多。从上述代码可以看出， C 语言里面简简单单的一句“a=3”，编译成汇编文件以后变成了 3 句，那么程序在执行的时候肯定是按照示例代码 中的汇编语句一条一条的执行。假设现在线程 A要向 a 变量写入 10 这个值，而线程 B 也要向 a 变量写入 20 这个值，我们理想中的执行顺序如图 所示：

按照图所示的流程，确实可以实现线程 A 将 a 变量设置为 10，线程 B 将 a 变量设置为 20。但是实际上的执行流程可能如下图所示：

按照图 所示的流程，线程 A 最终将变量 a 设置为了 20，而并不是要求的 10！线程B 没有问题。这就是一个最简单的设置变量值的并发与竞争的例子，要解决这个问题就要保证示例代码 中的三行汇编指令作为一个整体运行，也就是作为一个原子存在。 Linux 内核提供了一组原子操作 API 函数来完成此功能， Linux 内核提供了两组原子操作 API 函数，一组是对整形变量进行操作的，一组是对位进行操作的，我们接下来看一下这些 API 函数。

二.原子操作的函数介绍

1.原子整形操作API函数

Linux 内核定义了叫做 atomic_t 的结构体来完成整形数据的原子操作，在使用中用原子变量来代替整形变量，此结构体定义在 include/linux/types.h 文件中，定义如下：

typedef struct 
    int counter;
 atomic_t;

2.原子位操作API函数

三.实验

我们这个还是之前的思路，如果不牵扯到硬件操作，那么我们就在ubuntu pc做实验，这样高效，比较方便

driver

#include <linux/types.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/spinlock.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/device.h>



#define CHRDEVBASE_MAJOR    200
uint8_t kernel_buffer[1024] = 0;
static struct class *hello_class;
atomic_t lock;

static int hello_world_open(struct inode * inode, struct file * file)

    int count;
    printk("hello_world_open\\r\\n");
    
    count = atomic_read(&lock);
    printk("count:%d\\r\\n",count);
    if(count)
    
        printk("already open ,return fail\\r\\n");
    
    else
        atomic_inc(&lock);
    
    return 0;


static int hello_world_release (struct inode * inode, struct file * file)

    printk("hello_world_release\\r\\n");
    atomic_dec(&lock);
    return 0;



static const struct file_operations hello_world_fops = 
    .owner        = THIS_MODULE,
    .open        = hello_world_open,
    .release = hello_world_release,
    .read        = NULL,
    .write    = NULL,
;


static int __init hello_driver_init(void)

    int ret;
    printk("hello_driver_init\\r\\n");
    
    atomic_set(&lock,0);
    

    ret = register_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR,"hello_driver",&hello_world_fops);

    hello_class = class_create(THIS_MODULE,"hello_class");

    device_create(hello_class,NULL,MKDEV(CHRDEVBASE_MAJOR,0),NULL,"hello"); /* /dev/hello */

    return 0;


static void __exit hello_driver_cleanup(void)

    printk("hello_driver_cleanup\\r\\n");
    device_destroy(hello_class,MKDEV(CHRDEVBASE_MAJOR,0));
    class_destroy(hello_class);
    unregister_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR,"hello_driver");
    



module_init(hello_driver_init);
module_exit(hello_driver_cleanup);
MODULE_LICENSE("GPL");

app

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>


/* mknod /dev/chrdevbase c 200 0 */

uint8_t buffer[512] = 0;

int main(int argc, char *argv[])

    int fd;
    int ret;
    
    fd  = open(argv[1], O_RDWR);

    printf("sleep\\r\\n");
    sleep(60);
    printf("wake up\\r\\n");
    
    close(fd);

    

Makefile

KERNELDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := atomic_driver.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
    $(CROSS_COMPILE)gcc -o test_app test_app.c
clean:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
    rm -rf test_app

参考：

1.【韦东山】嵌入式Linux应用开发完全手册V4.0_韦东山全系列视频文档-IMX6ULL开发板.docx

2.【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.4.pdf