第7章 Linux设备驱动中的并发控制之一（并发与竞态）

本章导读

Linux设备驱动中必须解决的一个问题是多个进程对共享资源的并发访问，并发的访问会导致竞态(竞争状态)。

Linux提供了多种解决竞态问题的方式，这些方式适合不同的应用场景。

7.1讲解了并发和竞态的概念及发生场合。

7.2讲解了编译乱序、执行乱序的问题，以及内存屏障。

7.3~7.8分别讲解了中断屏蔽、原子操作、自旋锁、信号量和互斥体等并发控制机制。

7.1　并发与竞态

并发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（硬件资源和软件上的全局变量、静态变量等）的访问，则很容易导致竞态。例如，对于globalmem设备，假设一个执行单元A对其写入3000个字符“a”，而另一个执行单元B对其写入4000个“b”，第三个执行单元C读取globalmem的所有字符。如果执行单元A、B的写操作按图7.1顺序发生，执行单元C的读操作不会有什么问题。

但是，如果执行单元A、B按图7.2被执行，而执行单元C又“不合时宜”（在不合适的时间作不合适的事情）地读，则会读出3000个字符“b”。

比图7.2更复杂、更混乱的并发大量存在于设备驱动中，只要并发的多个执行单元存在对共享资源的访问，竞态就可能发生。在Linux内核中，主要的竞态发生在以下几种情况。

1.对称多处理器（SMP）的多个CPU

SMP是一种紧耦合、共享存储的系统模型，体系结构如图7.3所示，特点是多个CPU使用共同的系统总线，因此可访问共同的外设和存储器。

在SMP的情况下，两个核（CPU0和CPU1）的竞态可能发生于CPU0的进程与CPU1的进程之间、CPU0的进程与CPU1的中断之间以及CPU0的中断与CPU1的中断之间，图7.4中任何一条线连接的两个实体都有核之间并发可能性。

2.单CPU内进程与抢占它的进程

Linux 2.6以后的内核支持内核抢占调度，一个进程在内核执行时可能耗完了自己的时间片，也可能被另一个高优先级进程打断，进程与抢占该进程的进程访问共享资源的情况类似于SMP的多个CPU。

3.中断（硬中断、软中断、Tasklet、底半部）与进程之间

中断可以打断正在执行的进程，如果中断服务程序（ISR）访问进程正在访问的资源，则也会产生竞态。

中断也有可能被新的更高优先级的中断打断，因此，多个中断之间本身也可能引起并发而导致竞态。Linux 2.6.35之后，就取消了中断的嵌套。老版本的内核可以在申请中断时，设置标记IRQF_DISABLED以避免中断嵌套，由于新内核直接就默认不嵌套中断，这个标记反而变得无用了。

上述并发的发生除了SMP是真正的并行以外，其他的都是单核上的“宏观并行，微观串行”，其引发的实质问题和SMP相似。图7.5再现了SMP情况下总的竞争状态可能性，既包含某一个核内的（CPU内部），也包括两个核之间（CPU之间）的竞态。

解决竞态问题的途径是保证对共享资源的互斥访问，互斥访问是指一个执行单元（进程）在访问共享资源时，其他的执行单元（进程）被禁止访问。

访问共享资源的代码区域称为临界区（Critical Sections），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、信号量、互斥锁、完成量等 是Linux设备驱动中可以采用的互斥途径。