linux设备驱动中的并发控制

Posted 2020-06-21 chd_zhang

并发指的是多个执行单元同时、并行被执行，而并发的执行单元对共享资源的访问则很容易导致竞态

linux内核中主要竞态
1.多对称处理器的多个CPU  2.单CPU内进程与抢占它的进程 3.中断（硬中断、软中断、Tasklet、下半部）与进程之间
访问共享内存资源的代码区称为“临界区”，临界区需要被以某种互斥机制加以保护，中断屏蔽、原子操作、自旋锁和信号量等
是linux设备驱动中可采用的互斥途径。

这几个互斥的介绍：

1.中断屏蔽，这个主要用于单CPU，中断屏蔽将使得中断和进程之间的并发不再发生。使用方法：

local_irq_disable();//屏蔽中断
...
...
临界区
...
local_irq_enable();//开中断
由于linux的异步IO、进程调度等很多重要的操作都依赖于中断，中断对于内核的运行非常重要，在屏蔽中断期间所有的中断都无法处理，
因此长时间的屏蔽中断很危险，有可能导致数据丢失甚至系统崩溃。所以这个不作为重点讨论。

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2.原子操作，原子操作是一系列的不能被打断的操作。linux内核提供了一系列的函数来实现内核中的原子操作，这些函数分为2类，分别针对位和整型变量
进行原子操作。
实现原子操作的步骤：

1.定义原子变量并设置变量值
void atomic_set(atomic_t *v , int i); //设置原子变量值为i
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0); //定义原子变量v，初始化为0
2.获取原子变量的值
atomic_read(atomic_t *v);
3.原子变量加减操作
void atomic_add(int i,atomic_t *v);//原子变量加i
void atomic_sub(int i ,atomic_t *v);//原子变量减i
4.原子变量自增/自减
void atomic_inc(atomic_t *v);//自增1
void atomic_dec(atomic_t *v);//自减1
5.操作并测试：对原子变量执行自增、自减后（没有加）测试其是否为0，如果为0返回true，否则返回false。
int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);
int atomic_sub_and_test(int i ,atomic_t *v);
6.操作并返回
int atomic_add_return(int i , atomic_t *v);
int atomic_sub_return(int i , atomic_t *v);
int atomic_inc_return(atomic_t * v);
int atomic_dec_return(atomic_t * v);

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3.自旋锁
自旋锁是一个忙锁，它在一个小的循环内不断的重复测试并设置的操作。
自旋锁保护临界区的特点：临界区要小，并且临界区内不能有导致睡眠的操作，否则可能引起系统崩溃。自旋锁可能导致系统死锁，
引发这个问题最常见的情况是递归使用一个自旋锁。

自旋锁的操作步骤：

1.定义自旋锁
spinlock_t lock;
2.初始化自旋锁
spin_lock_init(lock);这是个宏，它用于动态初始化自旋锁lock；
3.获得自旋锁
spin_lock(lock);该宏用于加锁，如果能够立即获得锁，它就能马上返回，否则，他将自旋在那里，直到该自旋锁的保持者释放。
spin_trylock(lock);能够获得，则返回真，否则返回假，实际上是不在原地打转而已。
4.释放自旋锁
spin_unlock(lock);
与上面的两个配对使用。
例子：

spinlock_t lock;
spin_lock_init(&lock);
spin_lock(&lock);  //获取自旋锁，保护临界区

。。。。临界区

spin_unlock(&lock);//释放自旋锁

自旋锁不关心锁定的临界区究竟是如何执行的。不管是读操作还是写操作，实际上，对共享资源进行读取的时候是应该可以允许多个执行单元同时
访问的，那么这样的话，自旋锁就有了弊端。于是便衍生出来一个读写锁。

它保留了自旋的特性，但在对操作上面可以允许有多个单元进程同时操作。当然，读和写的时候不能同时进行。

现在又有问题了，如果我第一个进程写共享资源，第二个进程读的话，一旦写了，那么就读不到了，可能写的东西比较多，但是第二个进程读很小，那么
能不能第一个进程写的同时，我第二个进程读呢？
当然可以，那么引出了顺序锁的概念。都是一样的操作。

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4.信号量
是用于保护临界区的一种常用的方法，它的使用与自旋锁差不多，但是它不在原地打转，当获取不到信号量时候，进程会进入休眠等待状态。

主要操作：

1.定义sem信号量
struct semaphore sem;
2.初始化信号量
void sema_init(struct semaphore *sem, int val);
初始化信号量，并设置sem的值为val
初始化的时候还可以这样用，init_MUTEX(sem),这是个宏 #define init_MUTEX(sem) sema_init(sem , 1)
       init_MUTEX_LOCKED(sem),这是个宏 #define init_MUTEX_LOCKED(sem) sema_init(sem , 0)

 

 

3.获得信号量
void down(struct semaphore * sem);
该函数用于获得信号量sem，他会导致睡眠，所以不能在中断中使用。
int down_interruptible(struct semaphore* sem);
与上面功能类似，因为down进入睡眠状态的进程不能被信号打断，而它能被信号打断，信号也会导致该函数返回。
int down_trylock(struct semaphore * sem);

4.释放信号量
void up(struct semaphore * sem);
该函数用于释放信号量，同时唤醒等待者。
信号量一般这样使用：

DECLARE_MUTEX(sem);

down(&sem);

.....临界区

up(&sem);

linux自旋锁和信号量采用的“获取锁-访问临界区-释放锁”的方式。

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5.互斥体

互斥体和信号量基本上差不多。不介绍了。

总结：并发和竞态广泛存在，这几个机制是解决问题的好方法，中断屏蔽很少单独使用，原子操作只能针对整数进行，因此，自旋锁和信号量应用最为广泛。
自旋锁会导致死循环，锁定期间不允许阻塞，因此要求锁定的临界区要小。信号量允许临界区阻塞，可以适用于临界区较大的情况。读写自旋锁和读写信号量是
放宽了条件的自旋锁和信号量，他们允许多个进程并发的读取共享空间。