一.概念
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。
Linux 系统并发产生的原因很复杂,总结一下有下面几个主要原因:
1、多线程并发访问,Linux 是多任务(线程)的系统,所以多线程访问是最基本的原因。
2、抢占式并发访问,从 2.6 版本内核开始,Linux 内核支持抢占,也就是说调度程序可在任意时刻抢占正在运行的线程,从而运行其他的线程。
3、中断程序并发访问,这个无需多说,学过 STM32 的同学应该知道,硬件中断的权利可是很大的。
4、SMP(多核)核间并发访问,现在 ARM 架构的多核 SOC 很常见,多核 CPU 存在核间并发访问。
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.假如现在要对无符号整形变量 a 赋值,值为 3,对于 C 语言来讲很简单,直接就是:
a = 3
C 语言要先编译为成汇编指令,ARM 架构不支持直接对寄存器进行读写操作,比如要借助寄存器 R0、R1 等来完成赋值操作。假设变量 a 的地址为 0X3000000,“a=3”这一行 C语言可能会被编译为如下所示的汇编代码:
ldr r0, =0X30000000 /* 变量 a 地址 */
ldr r1, = 3 /* 要写入的值 */
str r1, [r0] /* 将 3 写入到 a 变量中 */
假设现在线程 A要向 a 变量写入 10 这个值,而线程 B 也要向 a 变量写入 20 这个值,我们理想中的执行顺序如下
但是实际上的执行流程可能如图:
线程 A 最终将变量 a 设置为了 20,而并不是要求的 10!这就是一个最简单的设置变量值的并发与竞争的例子,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 内核提供了两组原子操作 API 函数,一组是对整形变量进行操作的,一组是对位进行操作的
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;
如果要使用原子操作 API 函数,首先要先定义一个 atomic_t 的变量,如下所示:
atomic_t a; //定义 a
也可以在定义原子变量的时候给原子变量赋初值,如下所示:
atomic_t b = ATOMIC_INIT(0); //定义原子变量 b 并赋初值为 0
原子变量有了,接下来就是对原子变量进行操作,比如读、写、增加、减少等等,Linux 内核提供了大量的原子操作 API 函数
原子变量和相应的 API 函数使用起来很简单,参考如下示例:
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0); /* 定义并初始化原子变零 v=0 */
atomic_set(&v, 10); /* 设置 v=10
*/
atomic_read(&v); /* 读取 v 的值,肯定是 10
*/
atomic_inc(&v); /* v 的值加 1,v=11
*/
2.原子位操作函数
位操作也是很常用的操作,Linux 内核也提供了一系列的原子位操作 API 函数,只不过原子位操作不像原子整形变量那样有个 atomic_t 的数据结构,原子位操作是直接对内存进行操作
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.
自旋锁的“自旋”也就是“原地打转”的意思,“原地打转”的目的是为了等待自旋锁可以用,可以访问共享资源。从这里我们可以看到自旋锁的一个缺点:那就是等待自旋锁的线程会一直处于自旋状态,这样会浪费处理器时间,降低系统性能,所以自旋锁的持有时间不能太长。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了.
Linux 内核使用结构体 spinlock_t 表示自旋锁,结构体定义如下所示:
typedef struct spinlock {
union {
struct raw_spinlock rlock;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
# define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))
struct {
u8 __padding[LOCK_PADSIZE];
struct lockdep_map dep_map;
};
#endif
};
} spinlock_t;
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
1.自旋锁API函数
自旋锁 API 函数适用于 SMP 或支持抢占的单 CPU 下线程之间的并发访问,也就是用于线程与线程之间
被自旋锁保护的临界区一定不能调用任何能够引起睡眠和阻塞的API 函数,否则的话会可能会导致死锁现象的发生: 自旋锁会自动禁止抢占,当线程 A得到锁以后会暂时禁止内核抢占。如果线程 A 在持有锁期间进入了休眠状态,那么线程 A 会自动放弃 CPU 使用权。线程 B 开始运行,线程 B 也想要获取锁,但是此时锁被 A 线程持有,而且内核抢占还被禁止了!线程 B 无法被调度出去,那么线程 A 就无法运行,锁也就无法释放,死锁发生了!
中断里面可以使用自旋锁,但是在中断里面使用自旋锁的时候,在获取锁之前一定要先禁止本地中断.否则可能导致锁死现象的发生
线程 A 先运行,并且获取到了 lock 这个锁,当线程 A 运行 functionA 函数的时候中断发生了,中断抢走了 CPU 使用权。右边的中断服务函数也要获取 lock 这个锁,但是这个锁被线程 A 占有着,中断就会一直自旋,等待锁有效。但是在中断服务函数执行完之前,线程 A 是不可能执行的.死锁又发生!
最好的解决方法就是获取锁之前关闭本地中断
建议使用 spin_lock_irqsave/ spin_unlock_irqrestore,因为这一组函数会保存中断状态,在释放锁的时候会恢复中断状态。
四.信号量
相比于自旋锁,信号量可以使线程进入休眠状态.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.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
Linux 内核使用 semaphore 结构体表示信号量,结构体内容如下所示:
struct semaphore {
raw_spinlock_t lock;
unsigned int count;
struct list_head wait_list;
};
有关信号量的 API 函数如下:
信号量的使用如下所示:
struct semaphore sem; /* 定义信号量
sema_init(&sem, 1); /* 初始化信号量 */
down(&sem); /* 申请信号量 */
up(&sem); /* 释放信号量 */
五.互斥体
将信号量的值设置为 1 就可以使用信号量进行互斥访问了,虽然可以通过信号量实现互斥,但是 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。在我们编写 Linux 驱动的时候遇到需要互斥访问的地方建议使用 mutex。其结构体如下
struct mutex {
atomic_t count;
spinlock_t wait_lock;
};
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。
使用例子:
struct mutex lock; /* 定义一个互斥体 */
mutex_init(&lock); /* 初始化互斥体 */
mutex_lock(&lock); /* 上锁 */
/* 临界区 */
mutex_unlock(&lock);/* 解锁 */
