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1、Linux 设备驱动程序学习（3）-并发和竞态Linux 设备驱动程序学习（3）-并发和竞态今天进入Linux 设备驱动程序（第3 版）第五章并发和竞态的学习。 对并发的管理是操作系统编程中核心的问题之一。 并发产生竞态，竞态导致共享 数据的非法访问。因为竞态是一种极端低可能性的事件，因此程序员往往会忽视 竞态。但是在计算机世界中，百万分之一的事件可能没几秒就会发生，而其结果 是灾难性的。一、并发及其管理 竞态通常是作为对资源的共享访问结果而产生的。 在设计自己的驱动程序时，第一个要记住的规则是：只要可能，就应该避免资 源的共享。若没有并发访问，就不会有竞态。这种思想的最明显的应用是避免使 用
2、全局变量。但是，资源的共享是不可避免的 ，如硬件资源本质上就是共享、 指针传递等等。 资源共享的硬性规则： （1）在单个执行线程之外共享硬件或软件资源的任何时候，因为另外一个线程 可能产生对该资源的不一致观察，因此必须显示地管理对该资源的访问。-访问 “”“”管理的常见技术成为 锁定 或者 互斥 ：确保一次只有一个执行线程可操作共 享资源。 （2）当内核代码创建了一个可能和其他内核部分共享的对象时，该对象必须在 还有其他组件引用自己时保持存在（并正确工作）。对象尚不能正确工作时，不 能将其对内核可用。二、信号量和互斥体 一个信号量（semaphore: 旗语，信号灯）本质上是一个整数值，它和一
3、对函数 联合使用，这一对函数通常称为P和V。希望进入临届区的进程将在相关信号量 上调用P；如果信号量的值大于零，则该值会减小一，而进程可以继续。相反， 如果信号量的值为零（或更小），进程必须等待知道其他人释放该信号。对信号 量的解锁通过调用V 完成；该函数增加信号量的值，并在必要时唤醒等待的进 程。 当信号量用于互斥时（即避免多个进程同是在一个临界区运行），信号量的值 应初始化为1。 这种信号量在任何给定时刻只能由单个进程或线程拥有。 在这种使 “用模式下，一个信号量有事也称为一个 互斥体（mutex”） ,它是互斥（mutual exclusion）的简称。Linux 内核中几乎所有的信号量
4、均用于互斥。 使用信号量，内核代码必须包含 。以下是信号量初始化的方法：/*初始化函数*/void sema_init(struct semaphore *sem, int val);由于信号量通常被用于互斥模式。所以以下是内核提供的一组辅助函数和宏：/*方法一、声明+初始化宏*/DECLARE_MUTEX(name);DECLARE_MUTEX_LOCKED(name);/*方法二、初始化函数*/void init_MUTEX(struct semaphore *sem);void init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *sem);/*“带有 _LOCKED”
5、的是将信号量初始化为0，即锁定，允许任何线程访问时必须先解锁。没带的为1。*/P 函数为：void down(struct semaphore *sem); /*不推荐使用，会建立不可杀进程*/int down_interruptible(struct semaphore *sem);/*推荐使用，使用down_interruptible 需要格外小心，若操作被中断，该函数会返回非零值，而调用这不会拥有该信号量。对down_interruptible 的正确使用需要始终检查返回值，并做出相应的响应。*/int down_trylock(struct semaphore *sem);/*“带有
6、_trylock”的永不休眠，若信号量在调用是不可获得，会返回非零值。*/V 函数为：void up(struct semaphore *sem);/*任何拿到信号量的线程都必须通过一次（只有一次）对up 的调用而释放该信号量。在出错时，要特别小心；若在拥有一个信号量时发生错误，必须在将错误状态返回前释放信号量。*/在 scull 中使用信号量其实在之前的实验中已经用到了信号量的代码，在这里提一下应该注意的地方： 在初始化scull_dev 的地方：/* Initialize each device. */for (i = 0; i 。初始化：void init_rwsem(struct rw
7、_semaphore *sem);只读接口：void down_read(struct rw_semaphore *sem);int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem);void up_read(struct rw_semaphore *sem);写入接口：void down_write(struct rw_semaphore *sem);int down_write_trylock(struct rw_semaphore *sem);void up_write(struct rw_semaphore *sem);void downgrade
8、_write(struct rw_semaphore *sem);/*该函数用于把写者降级为读者，这有时是必要的。因为写者是排他性的，因此在写者保持读写信号量期间，任何读者或写者都将无法访问该读写信号量保护的共享资源，对于那些当前条件下不需要写访问的写者，降级为读者将，使得等待访问的读者能够立刻访问，从而增加了并发性，提高了效率。*/一个 rwsem 允许一个写者或无限多个读者来拥有该信号量. 写者有优先权; 当某 个写者试图进入临界区, 就不会允许读者进入直到写者完成了它的工作. 如果有 “”大量的写者竞争该信号量，则这个实现可能导致读者 饿死 ，即可能会长期拒绝读者访问。因此, rwsem
9、 最好用在很少请求写的时候, 并且写者只占用短时间.completion completion 是一种轻量级的机制，它允许一个线程告诉另一个线程某个工作已 经完成。代码必须包含 。使用的代码如下：DECLARE_COMPLETION(my_completion);/* 创建completion（声明+ 初始化） */struct completion my_completion;/* 动态声明completion 结构体*/static inline void init_completion(/*动态初始化completion*/void wait_for_completion(struct
10、completion *c);/* 等待completion */void complete(struct completion *c);/*唤醒一个等待completion的线程*/void complete_all(struct completion *c);/*唤醒所有等待completion 的线程*/*如果未使用completion_all，completion可重复使用；否则必须使用以下函数重新初始化completion*/INIT_COMPLETION(struct completion c);/*快速重新初始化completion*/completion的典型应用是模块退出时的
11、内核线程终止。在这种远行中，某些驱 动程序的内部工作有一个内核线程在while(1)循环中完成。当内核准备清楚该模 块时，exit函数会告诉该线程退出并等待completion。 为此内核包含了用于这种 线程的一个特殊函数：void complete_and_exit(struct completion *c, long retval);三、自旋锁 其实上面介绍的几种信号量和互斥机制，其底层源码都是使用自旋锁,可以理解 为自旋锁的再包装。所以从这里就可以理解为什么自旋锁通常可以提供比信号量 更高的性能。 “”“”自旋锁是一个互斥设备，他只能会两个值： 锁定 和 解锁 。它通常实现为某个 整数之
12、中的单个位。 “”测试并设置 的操作必须以原子方式完成。 任何时候，只要内核代码拥有自旋锁，在相关CPU上的抢占就会被禁止。 适用于自旋锁的核心规则： （1）任何拥有自旋锁的代码都必须是原子的，除服务中断外（某些情况下也不 能放弃 CPU,如中断服务也要获得自旋锁。 为了避免这种锁陷阱，需要在拥有自旋 锁时禁止中断），不能放弃CPU（如休眠，休眠可发生在许多无法预期的地 方）。否则 CPU将有可能永远自旋下去（死机）。 （2）拥有自旋锁的时间越短越好。 自旋锁原语所需包含的文件是 ,以下是自旋锁的内核API: spinlock_t my_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;/*
13、 编译时初始化spinlock*/void spin_lock_init(spinlock_t *lock);/* 运行时初始化spinlock*/* 所有spinlock 等待本质上是不可中断的，一旦调用spin_lock，在获得锁之前一直处于自旋状态*/void spin_lock(spinlock_t *lock);/* 获得spinlock*/void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags);/* 获得spinlock，禁止本地cpu中断，保存中断标志于flags*/void spin_lock_irq(spin
14、lock_t *lock);/* 获得spinlock,禁止本地cpu 中断*/void spin_lock_bh(spinlock_t *lock)/* 获得spinlock,禁止软件中断，保持硬件中断打开*/* 以下是对应的锁释放函数*/void spin_unlock(spinlock_t *lock);void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags);void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock);void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock);
15、/* 以下非阻塞自旋锁函数，成功获得，返回非零值；否则返回零*/int spin_trylock(spinlock_t *lock);int spin_trylock_bh(spinlock_t *lock);/*新内核的包含了更多函数*/读取者/写入者自旋锁:rwlock_t my_rwlock = RW_LOCK_UNLOCKED;/* 编译时初始化*/rwlock_t my_rwlock;rwlock_init( /* 运行时初始化*/void read_lock(rwlock_t *lock);void read_lock_irqsave(rwlock_t *lock, unsigne
16、d long flags);void read_lock_irq(rwlock_t *lock);void read_lock_bh(rwlock_t *lock);void read_unlock(rwlock_t *lock);void read_unlock_irqrestore(rwlock_t *lock, unsigned long flags);void read_unlock_irq(rwlock_t *lock);void read_unlock_bh(rwlock_t *lock);/* 新内核已经有了read_trylock*/void write_lock(rwlock_t *lock);void write_lock_irqsave(rwlock_t *lock, unsigned long flags);void
