嵌入式Linux驱动开发（七）并发与竞争
1. linux并发与竞争概念
并发产生原因：
①多线程并发访问。
②抢占式并发访问。
③中断程序并发访问。
④SMP（多核）核间并发访问。存在于多核CPU之间。
**竞争：**多个线程同时操作临界区。
2. linux内核提供的处理方法
2.1 原子操作
Linux内核使用atomic_t结构体完成整形数据的原子操作。用原子变量替代整形变量。
原子操作只能对整型变量或位进行共享资源保护。
typedef struct {
int counter;
} atomic_t;
/*使用*/
atomic_t a; //定义原子变量a
atomic_t b = ATOMIC_INIT(0); //定义原子变量b并赋初值0
/*内核提供了一些原子操作和原子位操作的API，见驱动手册
原子位操作直接对地址进行操作*/
2.2 自旋锁
如果自旋锁正在被线程 A 持有，线程 B 想要获取自旋锁，那么线程 B 就会处于忙循环-旋转-等待状态。
自旋锁适用于短时间的加锁，如果长时间自旋会导致处理器时间浪费，效率降低。
Linux内核使用spinlock_t结构体表示自旋锁。
typedef struct spinlock {
union {
struct raw_spinlock rlock;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
# define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))
struct {
u8 __padding[LOCK_PADSIZE];
struct lockdep_map dep_map;
};
#endif
};
} spinlock_t;
//定义自旋锁
spinlock_t lock;
相关API：
自旋锁会自动禁止抢占，所以被自旋锁保护的临界区不可以使用任何可能引起睡眠和阻塞的API，否则会导致死锁。
以下API适用于SMP或者多线程引起的并发，不针对中断并发。
如果中断也要访问临界区，必须在中断中使用自旋锁之前，禁止掉本地中断（CPU中断），否则也会导致死锁。
一般在线程中使用spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore，在中断中使用spin_lock/spin_unlock。
DEFINE_SPINLOCK(lock) /* 定义并初始化一个锁 */
/* 线程 A */
void functionA (){
unsigned long flags; /* 中断状态 */
spin_lock_irqsave(&lock, flags) /* 获取锁 */
/* 临界区 */
spin_unlock_irqrestore(&lock, flags) /* 释放锁 */
}
/* 中断服务函数 */
void irq() {
spin_lock(&lock) /* 获取锁 */
/* 临界区 */
spin_unlock(&lock) /* 释放锁 */
}
下半部（BH）也会竞争，BH中使用自旋锁的API：
2.3 其他类型锁
一般在内核中使用，了解一下即可。
1）读写自旋锁rwlock_t：
当某个数据结构符合读/写或生产者/消费者模型的时候就可以使用读写自旋锁。
typedef struct {
arch_rwlock_t raw_lock;
} rwlock_t;
2）顺序锁seqlock_t：
需要同时读写的时候可以使用。也就是写的时候也可以读。不能保护指针。
typedef struct {
struct seqcount seqcount;
spinlock_t lock;
} seqlock_t;
3）自旋锁使用注意事项：
①锁的持有时间不可以太久。
②自旋锁保护的临界区内不能使用可能引起睡眠阻塞的API。
③不能递归申请自旋锁。
④必须按照多核SOC来编写驱动。
2.3 信号量
信号量概念见操作系统课程。
信号量特点：
①使得等待资源线程进入休眠，所以可以用于占用资源较久的场合。
②信号量会引起休眠，所以不可以用于中断。
③如果共享资源持有时间较短，不要用信号量，信号量频繁切换线程的开销挺大的。
分类：
1）计数型信号量：初始值大于1，不可以用于互斥访问，它允许多个线程同时访问共享资源。
2）二值信号量：互斥访问。
API：
内核使用semaphore结构体表示信号量。
struct semaphore {
raw_spinlock_t lock;
unsigned int count;
struct list_head wait_list;
};
/*使用*/
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 */
2.4 互斥体mutex
内核使用mutex结构体表示互斥体。
struct mutex {
/* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */
atomic_t count;
spinlock_t wait_lock;
};
要点：
①用于实现互斥访问，不能递归申请互斥体。
②mutex可以导致休眠，所以不能在中断使用。
③和信号量一样，mutex保护的临界区可以调用引起阻塞的API。
④一次只有一个线程可以持有mutex，必须由mutex的持有者释放mutex。
API：
使用：
struct mutex lock; /* 定义一个互斥体 */
mutex_init(&lock); /* 初始化互斥体 */
mutex_lock(&lock); /* 上锁 */
/* 临界区 */
mutex_unlock(&lock); /* 解锁 */
3. 原子操作示例
在gpioled的基础上进行。
//1.在设备结构体中加入atomic_t lock
struct gpioled_dev{
...
atomic_t lock; /* 原子变量 */
};
//2.修改open函数
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/* 通过判断原子变量的值来检查 LED 有没有被别的应用使用 */
if (!atomic_dec_and_test(&gpioled.lock)) {
atomic_inc(&gpioled.lock);/* 小于 0 的话就加 1,使其原子变量等于 0 */
return -EBUSY; /* LED 被使用，返回忙 */
}
filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */
return 0;
}
//3.修改release
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
/* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 */
atomic_inc(&dev->lock);
return 0;
}
//4.修改init
static int __init led_init(void) {
int ret = 0;
/* 初始化原子变量=1*/
atomic_set(&gpioled.lock, 1);
...
}
修改atomicApp，在ledApp基础上添加一段模拟占用的代码，然后测试：
./atomicApp /dev/gpioled 1& //后台运行App，打开led
./atomicApp /dev/gpioled 0 //关闭 LED 灯
打开之后要运行App指定时间，这时候进行打断会被告知失败，原子操作有效。
4. 自旋锁示例
注意点：
由于自旋锁保护的临界区要尽可能短，所以在open和release中申请释放自旋锁就不合适，转而使用一个变量表示设备占用情况。
原理：
定义变量dev_stats表示设备使用情况，为0的时候表示设备没有被使用，大于0的时候表示设备被使用。open函数中先判断dev_stats是否为0，也就是判断设备是否可用，如果为0就使用设备，且将dev_stats加1，表示设备被使用。使用完后在 release 函数中将dev_stats减1，表示设备没有被使用。自旋锁保护的是该变量。
//1.在设备结构体中添加自旋锁和设备状态变量，自旋锁对该变量进行保护
struct gpioled_dev {
...
int dev_status; /*设备状态，0，设备未使用;>0,设备已经被使用*/
spinlock_t lock; /*自旋锁*/
}
//2.open
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
unsigned long flags;
filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */
spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags); /* 上锁 */
if (gpioled.dev_stats) { /* 如果设备被使用了 */
spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags); /* 解锁 */
return -EBUSY;
}
gpioled.dev_stats++; /* 如果设备没有打开，那么就标记已经打开了 */
spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags); /* 解锁 */
return 0;
}
//3.release
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
unsigned long flags;
struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
/* 关闭驱动文件的时候将 dev_stats 减 1 */
spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags); /* 上锁 */
if (dev->dev_stats) {
dev->dev_stats--;
}
spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags); /* 解锁 */
return 0;
}
//4.初始化自旋锁
static int __init led_init(void) {
int ret = 0;
spin_lock_init(&gpioled.lock);
...
}
5. 信号量示例
信号量会导致休眠，所以保护的临界区没有时间限制，但是不可以用在中断中。
//1.添加头文件
#include 6. Mutex示例
不能递归申请，不能在中断中使用（可能导致休眠或阻塞）。
//1.在设备结构体中添加互斥体
struct gpioled_dev {
...
struct mutex lock;
}
//2.open
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp) {
filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */
/* 获取互斥体,可以被信号打断 */
if (mutex_lock_interruptible(&gpioled.lock)) {
return -ERESTARTSYS;
}
#if 0
mutex_lock(&gpioled.lock); /* 不能被信号打断 */
#endif
return 0;
}
//3.release
mutex_unlock(&dev->lock);
//4.init
mutex_init(&gpioled.lock);