Linux驱动学习笔记（三）

并发与竞争

1.在编写驱动程序的时候，要尽量避免让驱动程序存在并发和竞争，Linux内核里面提供了几种处理并发与竞争的方法，分别是：原子操作、自旋锁、信号量和互斥体。

• 原子操作：Linux的原子操作基于atomic_t数据类型（64位为atomic64_t），如下图：

  

  对于64位常见的原子操作函数如下图所示：

  

  原子位操作函数如下图所示：

  

• 自旋锁：当一个线程尝试获取锁时，如果该锁已经被其他线程持有，线程不会进入阻塞或睡眠状态，而是会持续不断地检查锁的状态，直到锁变为可用为止，这种检查过程称为“自旋”。Linux中的自选锁在内核源码目录下的头文件include/linux/spinlock_types.h中定义，如下图所示：

  

  Linux中与自旋锁有关的函数如下图所示：

  

  在访问临界资源的时候先申请自旋锁，获取到自旋锁以后就进入临界区，获取不到自旋锁就“原地等待”，退出临界区的时候要释放自旋锁。由于自旋锁会“原地等待”，而“原地等待”会继续占用CPU并消耗CPU资源，所以锁的时间不能太长，也就是临界区的代码不能太多。另外在自旋锁保护的临界区里面不能调用可能会导致线程休眠的函数，否则可能会发生死锁。自旋锁一般是用在多核的SOC上。如果中断服务函数里面要使用自旋锁，需要在驱动程序中使用spin_lock_irqsave（在获取锁之前，该函数会关闭本地中断并保存当前的中断状态，这是为了防止当前进程被中断打断，例如防止嵌套的中断操作或上下文切换）和spin_unlock_irqrestore（在释放锁时，该函数会将中断状态恢复到之前的状态）函数来申请自旋锁。在同一个函数里面多次获取自旋锁也会导致死锁。其他与自旋锁相关的API函数如下图：

  

• 信号量：信号量的本质是一个全局变量。信号量的值可以根据实际情况来自行设置（取值范围大于等于0）当有线程来访问资源时，信号量执行“减一”操作，访问完以后再执行“加一”操作。Linux中的信号量在文件include/linux/semaphore.h中定义，如下图所示：

  

  Linux中与信号量相关的函数如下图：

  

  down() 是一种传统的信号量获取函数，它会尝试获取信号量，如果信号量的计数值大于 0，down() 会直接减少信号量计数并返回0表示成功。如果信号量计数为 0，调用该函数的进程会被阻塞，直到信号量变得可用。与spin_lock()的盲等不一样，这里的阻塞指的是进程会进入睡眠状态，并且会被放入一个信号量的等待队列中。此时该进程不会继续占用 CPU，其他进程可以继续执行，直到信号量变为可用状态，内核会唤醒该进程，让它重新竞争信号量。down_interruptible() 与 down() 的行为类似，主要区别在于它能响应信号（即可以被中断）。如果信号量不可用，调用该函数的进程会被阻塞，直到信号量变为可用，或者进程接收到中断信号（如用户请求的 SIGINT）从而被打断。在这种情况下，down_interruptible() 会返回一个负值，表示进程因中断而被唤醒。与信号量有关约束如下：信号量的值不能小于0；访问共享资源时，信号量执行“减一”操作，访问完成后在执行“加一”操作；当信号量的值为0时，想访问共享资源的线程必须等待，直到信号量大于0时，等待的线程才可以访问；因为信号量会引起休眠，所以中断里面不能用信号量；共享资源持有时间比较长，一般用信号量而不用自旋锁；在同时使用信号量和自旋锁的时候，要先获取信号量，再使用自旋锁，因为信号量会导致睡眠。
• 互斥锁：同一个资源同一个时间只有一个访问者在进行访问，其他的访问者访问结束以后才可以访问这个资源，这就是互斥。互斥锁和信号量值为1的情况很类似，但是互斥锁更简洁，更高效。Linux中用mutex结构体来描述互斥锁，定义在文件include/linux/mutex.h中，如下图所示：

  

  Linux中与互斥锁相关的函数有：

  

  mutex_lock()函数在无法获取互斥锁时会阻塞进入休眠状态，这里的休眠类似于信号量，休眠直到被释放互斥锁的进程唤醒。由于互斥锁会导致休眠，所以在中断里面不能用互斥锁。同一时刻只能有一个线程持有互斥锁，并且只有持有者可以解锁。不允许递归上锁和解锁。

2.ubuntu中的Linux源码路径为：/lib/modules/5.15.0-127-generic/build/。