I.MX6ULL ARM驱动开发---并发与竞争
引言
Linux是一个多任务操作系统，肯定会存在多个任务共同操作同一段内存或者设备的情况，多个任务甚至中断都能访问的资源叫做共享资源。
在驱动开发中要注意对共享资源的保护，也就是要处理对共享资源的并发访问。比如共享单车，大家按照谁扫谁骑走的原则来共用这个单车，如果没有这个并发访问共享单车的原则存在，只怕到时候为了一辆单车要打起来了。
在 Linux 驱动编写过程中对于并发控制的管理非常重要，我们就来学习一下如何在 Linux 驱动中处理并发。
一、并发与竞争
并发就是多个“用户”同时访问同一个共享资源。Linux 系统是个多任务操作系统，会存在多个任务同时访问同一片内存区域，这些任务可能会相互覆盖这段内存中的数据，造成内存数据混乱。
保护的内容是什么？不是代码，而是数据！因为驱动程序各不相同，那么数据也千变万化，一般像全局变量，设备结构体这些肯定是要保护的，至于其他的数据就要根据实际的驱动程序而定了。
当我们发现驱动程序中存在并发和竞争的时候一定要处理掉，接下来我们依次来学习一下 Linux 内核提供的几种并发和竞争的处理方法。
二、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。
假设a的地址为0x30000000，线程A与线程B分别对a赋值10和20。由于多线程的竞争，指令运行顺序存在如下情况，导致线程 A 最终将变量 a 设置为了 20，而并不是要求的 10。
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，我们接下来看一下这些 API 函数。
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;
Linux 内核提供了大量的原子操作 API 函数：
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| ATOMIC_INIT(int i) | 定义原子变量的时候对其初始化。 |
| int atomic_read(atomic_t *v) | 读取 v 的值，并且返回。 |
| void atomic_set(atomic_t *v, int i) | 向 v 写入 i 值。 |
| void atomic_add(int i, atomic_t *v) | 给 v 加上 i 值。 |
| void atomic_sub(int i, atomic_t *v) | 从 v 减去 i 值。 |
| void atomic_inc(atomic_t *v) | 给 v 加 1，也就是自增。 |
| void atomic_dec(atomic_t *v) | 从 v 减 1，也就是自减 |
| int atomic_dec_return(atomic_t *v) | 从 v 减 1，并且返回 v 的值。 |
| int atomic_inc_return(atomic_t *v) | 给 v 加 1，并且返回 v 的值。 |
| int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v) | 从 v 减 i，如果结果为 0 就返回真，否则返回假 |
| int atomic_dec_and_test(atomic_t *v) | 从 v 减 1，如果结果为 0 就返回真，否则返回假 |
| int atomic_inc_and_test(atomic_t *v) | 给 v 加 1，如果结果为 0 就返回真，否则返回假 |
| int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v) | 给 v 加 i，如果结果为负就返回真，否则返回假 |
2、原子位操作 API 函数
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| void set_bit(int nr, void *p) | 将 p 地址的第 nr 位置 1。 |
| void clear_bit(int nr,void *p) | 将 p 地址的第 nr 位清零。 |
| void change_bit(int nr, void *p) | 将 p 地址的第 nr 位进行翻转。 |
| int test_bit(int nr, void *p) | 获取 p 地址的第 nr 位的值。 |
| int test_and_set_bit(int nr, void *p) | 将 p 地址的第 nr 位置 1，并且返回 nr 位原来的值。 |
| int test_and_clear_bit(int nr, void *p) | 将 p 地址的第 nr 位清零，并且返回 nr 位原来的值。 |
| int test_and_change_bit(int nr, void *p) | 将 p 地址的第 nr 位翻转，并且返回 nr 位原来的值。 |
3、驱动程序编写
#include 三、自旋锁
当一个线程要访问某个共享资源的时候首先要先获取相应的锁，锁只能被一个线程持有，只要此线程不释放持有的锁，那么其他的线程就不能获取此锁。
对于自旋锁而言，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，线程 B 不会进入休眠状态或者说去做其他的处理，而是会一直傻傻的在那里“转圈圈”的等待锁可用。
所以自旋锁的持有时间不能太长。所以自旋锁适用于短时期的轻量级加锁，如果遇到需要长时间持有锁的场景那就需要换其他的方法。
在使用自旋锁之前，肯定要先定义一个自旋锁变量，定义方法如下所示：
spinlock_t lock; //定义自旋锁
定义好自旋锁变量以后就可以使用相应的 API 函数来操作自旋锁。
1、自旋锁 API 函数
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| DEFINE_SPINLOCK(spinlock_t lock) | 定义并初始化一个自选变量。 |
| int spin_lock_init(spinlock_t *lock) | 初始化自旋锁。 |
| void spin_lock(spinlock_t *lock) | 获取指定的自旋锁，也叫做加锁。 |
| void spin_unlock(spinlock_t *lock) | 释放指定的自旋锁。 |
| int spin_trylock(spinlock_t *lock) | 尝试获取指定的自旋锁，如果没有获取到就返回 0 |
| int spin_is_locked(spinlock_t *lock) | 检查指定的自旋锁是否被获取，如果没有被获取就返回非 0，否则返回 0 |
| void spin_lock_irq(spinlock_t *lock) | 禁止本地中断，并获取自旋锁。 |
| void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock) | 激活本地中断，并释放自旋锁。 |
| void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags) | 保存中断状态，禁止本地中断，并获取自旋锁。 |
| void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags) | 将中断状态恢复到以前的状态，并且激活本地中断，释放自旋锁。 |
| void spin_lock_bh(spinlock_t *lock) | 关闭下半部，并获取自旋锁。 |
| void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock) | 打开下半部，并释放自旋锁。 |
2、驱动程序编写
#include 四、信号量
相比于自旋锁，信号量可以使线程进入休眠状态，比如 A 与 B、C 合租了一套房子，这个房子只有一个厕所，一次只能一个人使用。某一天早上 A 去上厕所了，过了一会 B 也想用厕所，因为 A 在厕所里面，所以 B 只能等到 A 用来了才能进去。B 要么就一直在厕所门口等着，等 A 出来，这个时候就相当于自旋锁。B 也可以告诉 A，让 A 出来以后通知他一下，然后 B 继续回房间睡觉，这个时候相当于信号量。
总结一下信号量的特点：
①、因为信号量可以使等待资源线程进入休眠状态，因此适用于那些占用资源比较久的场
合。
②、因此信号量不能用于中断中，因为信号量会引起休眠，中断不能休眠。
③、如果共享资源的持有时间比较短，那就不适合使用信号量了，因为频繁的休眠、切换
线程引起的开销要远大于信号量带来的那点优势。
1、信号量 API 函数
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| DEFINE_SEAMPHORE(name) | 定义一个信号量，并且设置信号量的值为 1。 |
| void sema_init(struct semaphore *sem, int val) | 初始化信号量 sem，设置信号量值为 val。 |
| void down(struct semaphore *sem) | 获取信号量，因为会导致休眠，因此不能在中断中使用。 |
| int down_trylock(struct semaphore *sem) | 尝试获取信号量，如果能获取到信号量就获取，并且返回 0。如果不能就返回非 0，并且不会进入休眠。 |
| int down_interruptible(struct semaphore *sem) | 获取信号量，和 down 类似，只是使用 down 进入休眠状态的线程不能被信号打断。而使用此函数进入休眠以后是可以被信号打断的。 |
| void up(struct semaphore *sem) | 释放信号量 |
2、驱动程序编写
#include 五、互斥体
Linux 提供了一个比信号量更专业的机制来进行互斥，它就是互斥体—mutex。互斥访问表示一次只有一个线程可以访问共享资源，不能递归申请互斥体。
在使用 mutex 之前要先定义一个 mutex 变量。在使用 mutex 的时候要注意如下几点：
①、mutex 可以导致休眠，因此不能在中断中使用 mutex，中断中只能使用自旋锁。
②、和信号量一样，mutex 保护的临界区可以调用引起阻塞的 API 函数。
③、因为一次只有一个线程可以持有 mutex，因此，必须由 mutex 的持有者释放 mutex。并且 mutex 不能递归上锁和解锁。
1、互斥体 API 函数
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| DEFINE_MUTEX(name) | 定义并初始化一个 mutex 变量。 |
| void mutex_init(mutex *lock) | 初始化 mutex。 |
| void mutex_lock(struct mutex *lock) | 获取 mutex，也就是给 mutex 上锁。如果获取不到就进休眠。 |
| void mutex_unlock(struct mutex *lock) | 释放 mutex，也就给 mutex 解锁。 |
| int mutex_trylock(struct mutex *lock) | 尝试获取 mutex，如果成功就返回 1，如果失败就返回 0。 |
| int mutex_is_locked(struct mutex *lock) | 判断 mutex 是否被获取，如果是的话就返回1，否则返回 0。 |
| int mutex_lock_interruptible(struct mutex *lock) | 使用此函数获取信号量失败进入休眠以后可以被信号打断。 |
2、驱动程序编写
#include 六、程序编写
1、测试APP编写
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#define LEDOFF 0
#define LEDON 1
/*
* @description : main主程序
* @param - argc : argv数组元素个数
* @param - argv : 具体参数
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, retvalue;
char *filename;
unsigned char cnt = 0;
unsigned char databuf[1];
if(argc != 3){
printf("Error Usage!\r\n");
return -1;
}
filename = argv[1];
/* 打开beep驱动 */
fd = open(filename, O_RDWR);
if(fd < 0){
printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);
return -1;
}
databuf[0] = atoi(argv[2]); /* 要执行的操作：打开或关闭 */
/* 向/dev/gpioled文件写入数据 */
retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
if(retvalue < 0){
printf("LED Control Failed!\r\n");
close(fd);
return -1;
}
/* 模拟占用25S LED */
while(1) {
sleep(5);
cnt++;
printf("App running times:%d\r\n", cnt);
if(cnt >= 5) break;
}
printf("App running finished!");
retvalue = close(fd); /* 关闭文件 */
if(retvalue < 0){
printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);
return -1;
}
return 0;
}
七、运行测试
1、编译驱动代码
以原子操作（atomic）为例子，Makefile内容如下
KERNELDIR := /home/sh/Desktop/MUL/zimage
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := atomic.o
ARCH=arm
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
build: kernel_modules
kernel_modules:
$(MAKE) -j32 -C $(KERNELDIR) ARCH=$(ARCH) CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -j32 -C $(KERNELDIR) ARCH=$(ARCH) CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) M=$(CURRENT_PATH) clean
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make
编译成功以后就会生成一个名为“atomic.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试APP
输入如下命令编译测试 atomicApp.c 这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc atomicApp.c -o atomicApp
编译成功以后就会生成 atomicApp 这个应用程序。
3、运行测试
输入如下命令加载 atomic.ko 驱动模块：
insmod atomic.ko //加载驱动
驱动加载成功以后如下命令来测试：
./atomicApp /dev/atomic 1 &
“&”表示在后台运行 atomicApp 这个软件，输入上述命令以后终端提示输入命令，如下图所示：
atomicApp 运行正常，输出了“App running times:1”和“App running times:2”，这就是模拟 25S 占用，说明 atomicApp 这个软件正在使用 LED 灯。此时再输入如下命令关闭 LED 灯：
/atomicApp /dev/gpioled 0 //关闭 LED 灯
打开/dev/gpioled 失败！原因是在运行的 atomicAPP 软件正在占用/dev/gpioled，如果再次运行atomicApp 软件去操作/dev/gpioled 肯定会失败。必须等待atomicApp运行结束，也就是25S结束以后其他软件才能去操作/dev/gpioled。这个就是采用原子变量实现一次只能有一个应用程序访问 LED 灯。