Linux 并发控制
[竞态]
[1] 概念
竞争使用独占共享资源的状态
[2] 产生条件
1. 并发
2. "同时"访问"独占共享资源"
[避免竞态 -- 使代码可重入]
[1] 如何使file_operations可重入？
1. 什么是可重入?
多个任务执行同一段代码，彼此不影响
2. 如何使代码可重入？
单输入, 单输出--函数的单输入、单输出是指所有的输入都来自于函数的形参，所有的输出从形参或返回值输出
--不直接使用全局变量或静态局部变量
[解决竞态]
[2] 操作系统中的并发
1. 多CPU之间的并发
2. 单CPU上进程之间的并发
3. 单CPU上进程和中断之间的并发
4. 单CPU上中断之间的并发
[3] 抢占(一个进程强制剥夺另一个进程的CPU叫抢占)
抢占发生在什么时候？
int main(void)
{
什么程序(OS中的)可以插到中间运行？(只有中断程序可以做到)
while (1);
return 0;
}
[4] 中断屏蔽
1. 原理
消除单CPU上的并发
2. 用法
#include
/*
* @brief 关闭中断
*/
local_irq_disable()
...... // 访问独占共享资源
/*
* @brief 使能中断
*/
local_irq_enable()
/*
* @brief 保存中断状态并关闭中断
* @param[out] flags 保存中断状态
*/
local_irq_save(unsigned long flags)
....... // 访问独占共享资源
/*
* @brief 恢复中断状态
* @param[in] flags 中断状态
*/
local_irq_restore(unsigned long flags)
3. 适用
(1) 解决单cpu上的竞态
(2) 关闭中断时间不宜过长(操作系统利用时钟中断计时)
[5] 原子操作
例：防止文件被多次打开
int i = 1;
int xxx_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
if (i - 1 < 0) {
return -EBUSY;
}
i -= 1;
分析如下:
A进程 B进程
i - 1 < 0
切换到B进程执行
i - 1 < 0
切换回A进程
i -= 1;
切换到B进程执行
...
return 0;
}
int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
i++;
}
1. 原理
解决整数(保证整数的访问是一个原子操作)的竞态访问
2. 用法
#include
// v->counter = i
void atomic_set(atomic_t *v, int i);
// v->counter = 0
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);
// retun v->counter
atomic_read(atomic_t *v);
// v->counter += i;
void atomic_add(int i, atomic_t *v);
// v->counter -=i
void atomic_sub(int i, atomic_t *v);
// v->counter++
void atomic_inc(atomic_t *v);
// v->counter--
void atomic_dec(atomic_t *v);
// (++v->counter) == 0
int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);
// (--v->counter) == 0
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);
// (v->counter - i) == 0
int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);
// return (v->counter + i)
int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);
// return (v->counter - i)
int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);
// return ++v->counter;
int atomic_inc_return(atomic_t *v);
// return --v->counter;
int atomic_dec_return(atomic_t *v);
// addr[nr] = 1
void set_bit(nr, void *addr);
// addr[nr] = 0
void clear_bit(nr, void *addr);
// ~addr[nr]
void change_bit(nr, void *addr);
// 检测第nr位是否为1 (拿到内核代码最好确认一下)
test_bit(nr, void *addr);
// 检测第nr位是否为1，然后设置第nr位为1，如果来的nr位1，则返回真，否则假
int test_and_set_bit(nr, void *addr);
// 检测第nr位是否为1，然后清除第nr位为0，如果来的nr位1，则返回真，否则假
int test_and_clear_bit(nr, void *addr);
// 检测第nr位是否为1，然后改变第nr位为0，如果来的nr位1，则返回真，否则假
int test_and_change_bit(nr, void *addr);
例：防止文件被多次打开
atomic_t i = ATOMIC_INIT(1);
int xxx_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
if (!atomic_dec_and_test(i)) {
atomic_inc(i);
return -EBUSY;
}
...
return 0;
}
int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
atomic_inc(i);
}
3. 适用
可以解决多CPU之间的整数的竞态访问
[6] 自旋锁
1. 原理
见《4.自旋锁.bmp》
2. 用法
#include
spinlock_t lock; // 定义
/*
* @brief 初始化
* @param[out] lock 锁
*/
spin_lock_init(spinlock_t * lock)
/*
* @brief 获得锁，未获得不返回
* @param[out] lock 锁
*/
void spin_lock(spinlock_t * lock)
或：
/*
* @brief 尝试锁定，获得返回真，未获得返回假
* @param[out] lock 锁
*/
int spin_trylock(spinlock_t * lock)
...... // 访问独占的共享资源
/*
* @brief 释放锁
* @param[out] lock 锁
*/
void spin_unlock(spinlock_t * lock)
其它用法见PPT
例：防止文件被多次打开
int i = 1;
int xxx_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
spin_lock(&lock);
if (i - 1 < 0) {
spin_unlock(&lock);
return -EBUSY;
}
i -= 1;
spin_unlock(&lock);
...
return 0;
}
int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
spin_lock(&lock);
i++;
spin_unlock(&lock);
}
3. 分析
(1) 多CPU上的并发
CPU0 CPU1
... ...
lock(加锁)
lock(等待自旋锁)
...
操作
...
ulock(解锁)
lock(加锁)
...
操作
...
ulock(解锁)
(2) 单CPU上的进程之间的并发
消除了(因为关闭了抢占)
(3) 单CPU上的进程和中断之间的并发
进程 中断
lock(加锁)
...
被中断
lock(等待, 永远加不上锁，也不会退出，死机)
总结: 进程加锁时，一定同时关闭中断
进程 中断
lock(加锁)
...
访问资源
ulock(解锁)
...
返回
lock(加锁)
访问资源
unlock(解锁)
总结： 进程中加锁并关闭中断，中断中，只需要加锁
(4) 单CPU上的中断和中断之间的并发
中断 中断(高)
lock(加锁)
...
被中断
...
lock(等待, 永远加不上锁，也不会退出，死机)
总结：低优先级的中断，加锁同时一定要关闭中断
中断 中断(高)
...
lock(加锁)
...
访问资源
...
ulock(解锁)
返回
lock(加锁)
...
unlock(解锁)
总结：加锁时，关闭中断
4. 适用
(1) 可以解决多CPU之间的并发引起的竞态(实现多CPU之间的互斥访问)
(2) 消除单CPU上的并发
方法：
1. 单CPU上，进程之间的并发，直接加锁
2. 单CPU上，进程与中断之间的并发和中断与中断之间的并发，加锁且关闭中断
(3) 加锁时间不能太长
(4) 获得自旋锁期间，不能有引起调度的函数，自己放弃cpu(休眠是典型的代表)
例：
假设下列AB进程运行于同一CPU:
A进程 B进程
加锁
......
sleep后正好切换到B进程加同一锁
加锁(一直自旋，且占有CPU，导致本CPU死锁)
解锁
[7] 读写自旋锁
1. 原理
AB两个线程同时做如下操作：
A B buf(完整单词才能理解)
hello
读 读 可以理解读到的内容
读 写world hello w不能理解
写world 写! hello w!orld 内容不能理解
总结: 两个任务都是读，不需要加锁，只要有一个任务是写的时候需要加锁
读不锁定读，读会锁定写, 写锁定读和写
2. 用法
#include
rwlock_t lock; // 定义
rwlock_init(&lock); // 初始化
// 读 获取锁
read_lock(&lock); // 可以换成read_lock_...
... // 读临界资源
read_unlock(&lock); // 可以换成read_unlock_...
// 写 获取锁
write_lock_irqsave(&lock, flags); // 可以换成write_lock_...
... // 写临界资源
write_unlock_irqrestore(&lock, flags); // 可以换成write_unlock_...
其它用法见PPT
例: 见PPT
3. 分析
(1) 读 读
CPU0 CPU1
... ....
加读锁
....
读资源 加读锁(可以加到读锁)
... ...
... 读资源
解读锁 解读锁
(2) 读 读写
CPU0 CPU1
加读锁
读资源
加写锁(自旋, 等待)
...
解读锁
加写锁
读写资源
解写锁
(3) 读写 读
CPU0 CPU1
加写锁
读写资源
加读锁(自旋, 等待)
...
解写锁
加读锁
读
解读锁
(3) 读写 读写
(4) 写 读写
(5) 读写 写
跟普通锁完全相同
4. 适用
读的概率(时间)大于写的概率(时间)
读写自旋锁适用频率低于自旋锁
[8] 顺序自旋锁
1. 原理
读写锁的改进，读不锁定写，写锁定读
2. 用法
#include
seqlock_t lock; // 定义
seqlock_init(&lock); // 初始化
// 写 获取锁
write_seqlock(&lock); // 可以换成write_seqlock_...
... // 写临界资源
write_sequnlock(&lock); // 可以换成write_sequnlock_...
// 读 不会锁定写，但会被写锁定
unsigned seqnum;
do {
seqnum = read_seqbegin(&lock); // 可以换成read_seqbegin_irqsave(&lock, flags)
... // 读临界资源
} while (read_seqretry(&lock, seqnum)); // 可以换成read_seqretry_restore(&lock, flags)
例:
A线程 B线程
do {
seqnum = read_seqbegin(&lock);
......
write_seqlock(&lock);
p = NULL;
write_sequnlock(&lock);
*p = 5;
} while ((read_seqretry(&lock, seqnum));
3. 分析
(1) 读 锁定 写
CPU0 CPU1
加读锁
加写锁(假设成功)
读 写(碰到了读，写不会出错)
解写锁
解读锁
(检测出来，
是否加过写锁
写过，重读)
总结: 读 可以不锁定 写
(2) 写 锁定 读
CPU0 CPU1
加写锁
写
加读锁(假设成功)
写 读(碰到了写，读出错)
解读锁
解写锁
(检测出来，
是否读过)
总结：写 必须锁定 读
4. 适用
(1) 读独占共享资源的概率(时间)，远大于写独占共享资源的概率(时间)
(2) 共享资源不能指针
[9] 信号量
1. 原理
见《5-信号量》图
2. 用法
#include
struct semaphore sem; // 定义
sema_init(&sem, 1); // 初始化
down(&sem); // 获取信号量
或：
/*
* 调用本驱动的进程收到消息，本函数会返回
* 获取到信号量返回0，否则1
*/
down_interruptible(&sem);
/*
* 尝试获取信号量，未获取信号量立即返回，不休眠
* 获取到信号量返回0，否则1(注意跟自旋锁不同)
*/
down_trylock(&sem)
... // 临界资源访问
up(&sem); // 释放信号量
3. 分析
(1) 多CPU之间的并发
可以
(2) 单CPU进程之间的并发
可以
(3) 单CPU进程和中断之间的并发
不可以使用，中断中绝对不能调用可能会引起休眠的函数
(4) 中断之间的并发
中断中绝对不能调用可能会引起休眠的函数
4. 适用
(1) 多cpu之间的并发所引起的竞态
(2) 单CPU上，多进程之间的并发引起的竞态
(3) 不能用于中断上下文中(中断里面不能休眠，操作系统不支持)
(4) 获得信号量的时间可以很长(等待信号量时，线程休眠不浪费系统资源(相对自旋锁而言)，信号量的持有时间还是应该尽可能的短)
[10] 读写信号量
1. 原理
读不锁定读，读锁定写，写锁定写
2. 用法
PPT
3. 适用
用于需要用到信号量的情况(读的概率(时间)大于写的概率(时间))
[11] 互斥体
1. 原理
采用信号量实现1个资源的互斥访问
2. 用法
见PPT
3. 适用
可以适用信号量互斥的地方，互斥体都可以用
[12] 实践
CPU0 CPU1
读 写
加读锁
...
....
加写锁
...
...
写资源
...
解写锁
解读锁，返回
重读
写 读
加写锁
....
....
写资源
... 加读锁(锁定，一直等待，等待写解锁)
...
写解锁
加读锁
读资源
...
...
解读锁