Linux学习第19天：Linux并发与竞争实例： 没有规矩不成方圆

Linux版本号4.1.15   芯片I.MX6ULL                                    大叔学Linux    品人间百味  思文短情长

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        先说点题外话，上周参加行业年会，停更了一周。接下来的周五就要开启国庆中秋双节模式，所以有的时候，尤其是工作以后想要好好的学习点东西，是多么的难。并且学习必须是一个连续的过程。大家可能会有这样的体会，本来做研发的过程中，突然临时领导分配其他的工作，并且要立马去做的。当集中几天精力完成了领导的任务再回头去看原来手里的工作时，发现有很多东西都记不太清了。这也是我很头疼的一个问题，大家有好的建议或是处理方法可以评论区给我留言。

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        本篇笔记主要是学习并发和竞争的实例，主要内容包括原子操作、自旋锁操作、信号量和互斥体。

        本笔记的思维导图很简单，如下：

一、原子操作

        本节要实现的功能是利用原子操作来实现对LED设备的互斥操作。

32 /* gpioled 设备结构体 */
33 struct gpioled_dev{
34 dev_t devid; /* 设备号 */
35 struct cdev cdev; /* cdev */
36 struct class *class; /* 类 */
37 struct device *device; /* 设备 */
38 int major; /* 主设备号 */
39 int minor; /* 次设备号 */
40 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
41 int led_gpio; /* led 所使用的 GPIO 编号 */
42 atomic_t lock; /* 原子变量 */
43 };

        第 42 行，原子变量 lock，用来实现一次只能允许一个应用访问 LED 灯， led_init 驱动入口函数会将 lock 的值设置为 1。

54 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
55 {
56 /* 通过判断原子变量的值来检查 LED 有没有被别的应用使用 */
57 if (!atomic_dec_and_test(&gpioled.lock)) {
58 atomic_inc(&gpioled.lock);/* 小于 0 的话就加 1,使其原子变量等于 0 */
59 return -EBUSY; /* LED 被使用，返回忙 */
60 }
61
62 filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */
63 return 0;
64 }

        第 57~60 行，每次调用 open 函数打开驱动设备的时候先申请 lock，如果申请成功的话就表
示 LED灯还没有被其他的应用使用，如果申请失败就表示 LED灯正在被其他的应用程序使用。
        每次打开驱动设备的时候先使用 atomic_dec_and_test 函数将 lock 减 1，如果 atomic_dec_and_test函数返回值为真就表示 lock 当前值为 0，说明设备可以使用。如果 atomic_dec_and_test 函数返回值为假，就表示 lock 当前值为负数(lock 值默认是 1)， lock 值为负数的可能性只有一个，那就是其他设备正在使用 LED。其他设备正在使用 LED 灯，那么就只能退出了，在退出之前调用函数 atomic_inc 将 lock 加 1，因为此时 lock 的值被减成了负数，必须要对其加 1，将 lock 的值变为 0。

        上面一段说的可能有点绕，总的意思就是要想要先申请。

111 * @description : 关闭/释放设备
112 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
113 * @return : 0 成功;其他 失败
114 */
115 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
116 {
117 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
118
119 /* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 */
120 atomic_inc(&dev->lock);
121 return 0;
122 }

        第 120 行， LED 灯使用完毕，应用程序调用 close 函数关闭的驱动文件， led_release 函数执行，调用 atomic_inc 释放 lcok，也就是将 lock 加 1。

142 /* 初始化原子变量 */
143 atomic_set(&gpioled.lock, 1); /* 原子变量初始值为 1 */

        第 143 行，初始化原子变量 lock，初始值设置为 1，这样每次就只允许一个应用使用 LED
灯。

        在测试的APP中有如下程序：

62 /* 模拟占用 25S LED */
63 while(1) {
64 sleep(5);
65 cnt++;
66 printf("App running times:%d\r\n", cnt);
67 if(cnt >= 5) break;
68 }

        第 63~68 行的模拟占用 25 秒 LED 的代码。测试 APP 在获取到 LED 灯驱动的使用权以后会使用 25S，在使用的这段时间如果有其他的应用也去获取 LED 灯使用权的话肯定会失败！

二、自旋锁

        自旋锁保护的临界区要尽可能的短。

        考虑驱动的兼容性，合理的选择 API 函数。

33 /* gpioled 设备结构体 */
34 struct gpioled_dev{
35 dev_t devid; /* 设备号 */
36 struct cdev cdev; /* cdev */
37 struct class *class; /* 类 */
38 struct device *device; /* 设备 */
39 int major; /* 主设备号 */
40 int minor; /* 次设备号 */
41 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
42 int led_gpio; /* led 所使用的 GPIO 编号 */
43 int dev_stats; /* 设备状态， 0，设备未使用;>0,设备已经被使用 */
44 spinlock_t lock; /* 自旋锁 */
45 };

        第 43 行， dev_stats 表示设备状态，如果为 0 的话表示设备还没有被使用，如果大于 0 的
话就表示设备已经被使用了。第 44 行，定义自旋锁变量 lock。

56 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
57 {
58 unsigned long flags;
59 filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */
60
61 spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags); /* 上锁 */
62 if (gpioled.dev_stats) { /* 如果设备被使用了 */
63 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags); /* 解锁 */
64 return -EBUSY;
65 }
66 gpioled.dev_stats++; /* 如果设备没有打开，那么就标记已经打开了 */
67 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */
68
69 return 0;
70 }

        第 61~67 行，使用自旋锁实现对设备的互斥访问，第 61 行调用 spin_lock_irqsave 函数获
取锁，为了考虑到驱动兼容性，这里并没有使用 spin_lock 函数来获取锁。第 62 行判断
dev_stats 是否大于 0，如果是的话表示设备已经被使用了，那么就调用 spin_unlock_irqrestore
函数释放锁，并且返回-EBUSY。如果设备没有被使用的话就在第 66 行将 dev_stats 加 1，表
示设备要被使用了，然后调用 spin_unlock_irqrestore 函数释放锁。自旋锁的工作就是保护
dev_stats 变量， 真正实现对设备互斥访问的是 dev_stats。

121 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
122 {
123 unsigned long flags;
124 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
125
126 /* 关闭驱动文件的时候将 dev_stats 减 1 */
127 spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags); /* 上锁 */
128 if (dev->dev_stats) {
129 dev->dev_stats--;
130 }
131 spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);/* 解锁 */
132
133 return 0;
134 }

        第 126~131 行，在 release 函数中将 dev_stats 减 1，表示设备被释放了，可以被其他的应用程序使用。将 dev_stats 减 1 的时候需要自旋锁对其进行保护。

150 static int __init led_init(void)
151 {
152 int ret = 0;
153
154 /* 初始化自旋锁 */
155 spin_lock_init(&gpioled.lock);
......
212 return 0;
213 }

        第 155 行，在驱动入口函数 led_init 中调用 spin_lock_init 函数初始化自旋锁。

三、信号量

        使用信号量实现了一次只能有一个应用程序访问 LED 灯，信号量可以导致休眠，因此信号量保护的临界区没有运行时间限制，可以在驱动的 open 函数申请信号量，然后在release 函数中释放信号量。但是信号量不能用在中断中。

14 #include <linux/semaphore.h>

33 /* gpioled 设备结构体 */
34 struct gpioled_dev{
35 dev_t devid; /* 设备号 */
36 struct cdev cdev; /* cdev */
37 struct class *class; /* 类 */
38 struct device *device; /* 设备 */
39 int major; /* 主设备号 */
40 int minor; /* 次设备号 */
41 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
42 int led_gpio; /* led 所使用的 GPIO 编号 */
43 struct semaphore sem; /* 信号量 */
44 };

        第 43 行，在设备结构体中添加一个信号量成员变量 sem。

48 /*
49 * @description : 打开设备
50 * @param – inode : 传递给驱动的 inode
51 * @param - filp : 设备文件， file 结构体有个叫做 private_data 的成员变量
52 * 一般在 open 的时候将 private_data 指向设备结构体。
53 * @return : 0 成功;其他 失败
54 */
55 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
56 {
57 filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */
58
59 /* 获取信号量,进入休眠状态的进程可以被信号打断 */
60 if (down_interruptible(&gpioled.sem)) {
61 return -ERESTARTSYS;
62 }
63 #if 0
64 down(&gpioled.sem); /* 不能被信号打断 */
65 #endif
66
67 return 0;
68 }

        第 60~65行，在 open函数中申请信号量，可以使用 down 函数，也可以使用 down_interruptible函数。如果信号量值大于等于 1 就表示可用，那么应用程序就会开始使用 LED 灯。如果信号量值为 0 就表示应用程序不能使用 LED 灯，此时应用程序就会进入到休眠状态。等到信号量值大于 1 的时候应用程序就会唤醒，申请信号量，获取 LED 灯使用权。

114 /*
115 * @description : 关闭/释放设备
116 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
117 * @return : 0 成功;其他 失败
118 */
119 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
120 {
121 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
122
123 up(&dev->sem); /* 释放信号量，信号量值加 1 */
124
125 return 0;
126 }

        第 123 行，在 release 函数中调用 up 函数释放信号量，这样其他因为没有得到信号量而进
入休眠状态的应用程序就会唤醒，获取信号量。

142 static int __init led_init(void)
143 {
144 int ret = 0;
145
146 /* 初始化信号量 */
147 sema_init(&gpioled.sem, 1);
......
204 return 0;
205 }

        第 147 行，在驱动入口函数中调用 sema_init 函数初始化信号量 sem 的值为 1，相当于 sem
是个二值信号量。

四、互斥体

33 /* gpioled 设备结构体 */
34 struct gpioled_dev{
35 dev_t devid; /* 设备号 */
36 struct cdev cdev; /* cdev */
37 struct class *class; /* 类 */
38 struct device *device; /* 设备 */
39 int major; /* 主设备号 */
40 int minor; /* 次设备号 */
41 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
42 int led_gpio; /* led 所使用的 GPIO 编号*/
43 struct mutex lock; /* 互斥体 */
44 };

        第 43 行，定义互斥体 lock。

55 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
56 {
57 filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */
58
59 /* 获取互斥体,可以被信号打断 */
60 if (mutex_lock_interruptible(&gpioled.lock)) {
61 return -ERESTARTSYS;
62 }
63 #if 0
64 mutex_lock(&gpioled.lock); /* 不能被信号打断 */
65 #endif
66
67 return 0;
68 }

        第 60~65 行，在 open 函数中调用 mutex_lock_interruptible 或者 mutex_lock 获取 mutex，成功的话就表示可以使用 LED 灯，失败的话就会进入休眠状态，和信号量一样。

119 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
120 {
121 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
122
123 /* 释放互斥锁 */
124 mutex_unlock(&dev->lock);
125
126 return 0;
127 }

        第 124 行，在 release 函数中调用 mutex_unlock 函数释放 mutex，这样其他应用程序就可以
获取 mutex 了。

143 static int __init led_init(void)
144 {
145 int ret = 0;
146
147 /* 初始化互斥体 */
148 mutex_init(&gpioled.lock);
......
205 return 0;
206 }

        第 148 行，在驱动入口函数中调用 mutex_init 初始化 mutex。

五、总结

        本片笔记主要是巩固上次课学习的并发和竞争相关内容，主要包括原子操作、自旋锁、信号量和互斥体。

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本文为参考正点原子开发板配套教程整理而得，仅用于学习交流使用，不得用于商业用途。