Linux驱动编程 step-by-step （七）
并发 竞态 (信号量与自旋锁)
代码传至并发竞态控制
前面所述的字符驱动都是没有考虑并发竟态的情况，想象一下
一个进程去读一个字符设备，另一个进程在同一时间向这个设备写入（完全有这种情况）
原来设备中存有 A B C D 要想设备写入1 2 3 4 每次读写一个字节
| t1 | t2 | t3 | t4 | t5 | t6 | t7 | t8 |
| R | W | W | R | W | R | R | W |
| A | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 | D | 4 |
W:write
所以最后读出了A23D不是原来的ABCD
而如果两个进程同时写入一个设备则写入的值可能既不是A进程想要的又不是B进程想要的。
并发与竞态
并发是指 多个进程同时访问相同一段代码（不仅限于内核空间的代码）
竞态 是对共享资源访问的结果， 并发进程访问了相同的数据或结构（硬件资源）等。
解决竞态的思想 主要有两种
1、所有的代码都不使用全局变量
2、使用锁机制确保一次只有一个进程使用共享资源
显然第一种方式是不可能的，我们只能尽量少的使用全局变量，而不能完全避免它
下边介绍 两种锁机制
信号量
这个概念对我们来说应该不是很陌生，至少听说过，它有两种操作：通常叫做P操作与V操作
希望进入临界区的进程调用P操作，检测当前信号量，如果信号量大于0，则信号量减1，进入临界区，否则进程等待其他进程释放此信号量，信号量的释放通过一个V操作增加信号量的值，在某些情况下会去唤醒等待此信号量的进程。
以上说到了一个 临界区这个名词 简单来讲就是内部操作了共享数据的代码
Linux 内核中信号量的实现
因为从LLD3（2.6.10）版本出来到现在（3.1）内核函数有了很多的变化，许多书上介绍的函数都已经不存在了，也能几版新kernel之后现在我说的函数也会有变化了。
信号量结构以及相关函数的定义在<linux/semaphore.h>中
创建信号量
void sema_init(struct semaphore *sem, int val)sem: 信号量结构体
val : 初始化信号量的值（代表了资源数）【val 为1时 表示代码在同一时间只允许一个进程访问 称之为互斥锁】
void init_MUTEX(); void init_MUTEX_LOCKED();两个定义互斥锁的函数 （ 最新的内核中已经没有这两个函数了，所以不要用 它）
struct simple_dev{
char *data;
loff_t count;
struct cdev cdev;
struct semaphore semp;
};
static __init int simple_init(void)
{
...
for( index = 0 ; index < DEV_COUNT ; ++index )
{
sema_init(&char5_dev[index].semp,1);
//init_MUTEX(&(char5_dev[index].semp));
init_waitqueue_head(&(char5_dev[index].queue));
}
...
}
P操作
void down(struct semaphore *sem); int __must_check down_interruptible(struct semaphore *sem); int __must_check down_killable(struct semaphore *sem); int __must_check down_trylock(struct semaphore *sem); int __must_check down_timeout(struct semaphore *sem, long jiffies)第一个函数在信号量大于0时直接将信号量的值减一程序继续运行，在信号量为0时进程睡眠只有等到有其他进程释放信号量时候才被唤醒（ 不推荐使用）
第二个函数 在第一个操作的基础上，如果进程因为没有得到信号量睡眠，在别的进程释放信号量或者发成中断的情况下都会被唤醒,在被中断信号唤醒时候返回－EINTR，成功返回0
第三个函数 如果没有另外的任务会获取此信号量，则可以调用此函数，在收到中断信号时会返回－EINTR
第四个函数 试图去获取信号量，在获取不到的时候不会睡眠，而是继续运行，返回0值表示得到了此信号量， 返回1 表示没能获取到。
第五个函数 可以去设置最长睡眠时间， 但是 此函数不可中断
V操作
void up(struct semaphore *sem)此操作 首先检测时候有其他进程等待此信号量，如果有则唤醒此进程，不改变信号量的值，如果没有则将信号量的值加1。
static ssize_t simple_read(struct file *filp, char __user *userstr, size_t count, loff_t *loff)
{
struct simple_dev *dev = NULL;
int data_remain = 0;
int err;
D("[%s:] In %s \n",current->comm, __func__);
dev = filp->private_data;
err = down_interruptible(&dev->semp);
if(err)
{
if(err == -EINTR)
WAR("return by an interrupt signal\n");
else
printk(KERN_ERR "an error occured in down_interruptible\n");
return err;
}
else
{
D("have get the mutex %d\n", __LINE__);
}
/*******************************************
* 临界区代码
********************************************/
up(&dev->semp);
return count;
}
自旋锁
自旋锁是另一种锁机制，信号量会引起进程的休眠，而在不能睡眠的代码中我们就需要使用自旋锁。
自旋锁也是一个互斥的概念，有“锁定”与“解锁”两个操作，当程序需要锁定时候，则先检测锁是否可用，如果可用则获得锁，程序进入临界区，否则进入忙等待重复检测这个锁是否可用（这就是自旋），临界区代码操作完成则解锁。
信号量实现中其实也用到了自旋锁机制（有兴趣的刻一看内核源码，这边不展开，等以后写内核时候再介绍）
因为自旋锁在得不到锁的时候会“自旋” 即不会让出CPU ，所以我们的临界区执行速度应该尽量的快，最好使用原子操作（不会睡眠）。这也是使用自旋锁的核心规则，在多数情况下我们做不到这一点，所以自旋锁在驱动程序中使用的不如信号量频繁。
初始化
spin_lock_init(_lock)
锁定
static inline void spin_lock(spinlock_t *lock) static inline int spin_trylock(spinlock_t *lock) static inline void spin_lock_irq(spinlock_t *lock) spin_lock_irqsave(lock, flags) static inline void spin_lock_bh(spinlock_t *lock)第一个函数是 不去禁止中断 直接锁定
第二个函数 会尝试加锁，检测返回之判断是否锁定，在不能锁定时候程序也继续运行
第三个函数 禁止中断，不保存保存原先的中断状态
第四个函数 在禁止中断之前，保存原先的中断状态，
第五个函数 表示只禁止软件中断而保持硬件中断的打开
因为自旋锁本质上要不会被中断，所以调用时候建议使用包含有禁止中断的函数
解锁
static inline void spin_unlock(spinlock_t *lock) //static inline void spin_unlock(spinlock_t *lock) static inline void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock) static inline void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags) static inline void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock)对应于锁定的五个函数，分别解锁,(对应于锁定的第二个操作，在加锁成功时候需要使用spin_unlock来解锁)
死锁
上边只提到了使用锁的好处，以及如何使用锁，但是引入锁机制也会带来风险，那就是死锁，进程死锁最明显的表现就是死机。
如上图所示，A进程占有锁1，并在持有锁1的时候需要得到锁2程序才能继续进行
B进程占有锁2， 并在保持锁2的同时去获取锁1程序才能继续运行，这样A， B 进程就卡在这里，互不相让，这就导致了死锁。
亦或 在一个进程内同时试图获取同样的锁
死锁的名词解释
是指两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁
解决死锁的方法：
1、加解锁顺序一致
在必须使用多个锁的时候，应该始终以相同的顺序获取，也最好以获取锁顺序逆序解锁。
2、使用原子变量
原子变量不会被多个进程并发操作，内核提供了一种原子类型（atomic_t <asm/stomic.h>中）
3、设置加锁timeout值
在一定时间内不能获得锁，就放弃，并释放已占有的锁