并发控制：上下文、中断屏蔽和原子变量

news2024/11/20 18:23:03

一、上下文和并发场合

执行流：有开始有结束总体顺序执行的一段代码 又称上下文

应用编程：任务上下文
内核编程：

  1. 任务上下文：五状态 可阻塞
    a. 应用进程或线程运行在用户空间
    b. 应用进程或线程运行在内核空间（通过调用syscall来间接使用内核空间）
    c. 内核线程始终在内核空间
  2. 异常上下文：不可阻塞
    中断上下文

竞态：多任务并行执行时，如果在一个时刻同时操作同一个资源，会引起资源的错乱，这种错乱情形被称为竞态

共享资源：可能会被多个任务同时使用的资源

临界区：操作共享资源的代码段

为了解决竞态，需要提供一种控制机制，来避免在同一时刻使用共享资源，这种机制被称为并发控制机制

并发控制机制分类：

  1. 原子操作类
  2. 忙等待类
  3. 阻塞类

通用并发控制机制的一般使用套路：

/*互斥问题：*/
并发控制机制初始化为可用
P操作

临界区

V操作

/*同步问题：*/
//并发控制机制初始化为不可用
//先行方：
。。。。。
V操作
    
//后行方：
P操作
。。。。。

二、中断屏蔽

一种同步机制的辅助手段

禁止本cpu中断 使能本cpu中断
local_irq_disable(); local_irq_enable();
local_irq_save(flags); local_irq_restore(flags); 与cpu的中断位相关
local_bh_disable(); local_bh_enable(); 与中断低半部有关，关闭、打开软中断

禁止中断
临界区 //临界区代码不能占用太长时间，需要很快完成
打开中断

适用场合：中断上下文与某任务共享资源时，或多个不同优先级的中断上下文间共享资源时

三、原子变量 *

原子变量：存取不可被打断的特殊整型变量
a.设置原子量的值
void atomic_set(atomic_t *v,int i); //设置原子量的值为i
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0); //定义原子变量v并初始化为0

v = 10;//错误

b.获取原子量的值
atomic_read(atomic_t *v); //返回原子量的值

c.原子变量加减
void atomic_add(int i,atomic_t *v);//原子变量增加i
void atomic_sub(int i,atomic_t *v);//原子变量减少i

d.原子变量自增自减
void atomic_inc(atomic_t *v);//原子变量增加1
void atomic_dec(atomic_t *v);//原子变量减少1

e.操作并测试：运算后结果为0则返回真，否则返回假
int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);
int atomic_sub_and_test(int i,atomic_t *v);

原子位操作方法：
a.设置位
void set_bit(nr, void *addr); //设置addr的第nr位为1
b.清除位
void clear_bit(nr , void *addr); //清除addr的第nr位为0
c.改变位
void change_bit(nr , void *addr); //改变addr的第nr位为1
d.测试位
void test_bit(nr , void *addr); //测试addr的第nr位是否为1

适用场合：共享资源为单个整型变量的互斥场合

实现代码

实现效果：文件只能打开一次
mychar_openonce.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/atmdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/ioctl.h>

#define BUF_LEN 100

int major = 11;					//主设备号
int minor = 0;					//次设备号
int char_num = 1;				//设备号数量

struct openonce_dev 
{
	struct cdev mydev;
	char mydev_buf[BUF_LEN];
	int curlen;
	
	atomic_t openflag; //1 can open , 0 not open
};
struct openonce_dev gmydev;

int openonce_open (struct inode *pnode, struct file *pfile)//打开设备
{
	struct openonce_dev *pmydev = NULL;
	pfile->private_data = (void *) (container_of(pnode->i_cdev, struct openonce_dev, mydev));
	pmydev = (struct openonce_dev *)pfile->private_data;

	if(atomic_dec_and_test(&pmydev->openflag) ) {
		return 0;
	} else {
		atomic_inc(&pmydev->openflag);
		printk("not open\n");
		return -1;
	}
}

int openonce_close(struct inode *pnode, struct file *pfile)//关闭设备
{

	atomic_set(&gmydev.openflag, 1);

	return 0;
}

struct file_operations myops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = openonce_open,
	.release = openonce_close,
};

int __init openonce_init(void) 
{
	int ret = 0;
	dev_t devno = MKDEV(major, minor);

	/* 手动申请设备号 */
	ret = register_chrdev_region(devno, char_num, "openonce");
	if (ret) {
		/* 动态申请设备号 */
		ret = alloc_chrdev_region(&devno, minor, char_num, "openonce");
		if(ret){
			printk("get devno failed\n");
			return -1;
		}
		/*申请成功 更新设备号*/
		major = MAJOR(devno);
	}
	
	/* 给struct cdev对象指定操作函数集 */
	cdev_init(&gmydev.mydev, &myops);

	/* 将struct cdev对象添加到内核对应的数据结构中 */
	gmydev.mydev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_add(&gmydev.mydev, devno, char_num);

	atomic_set(&gmydev.openflag, 1);
	return 0;
}

void __exit openonce_exit(void) 
{

	dev_t devno = MKDEV(major, minor);
	printk("exit %d\n", devno);
	
	/* 从内核中移除一个字符设备 */
	cdev_del(&gmydev.mydev);

	/* 回收设备号 */
	unregister_chrdev_region(devno, char_num);

}

MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(openonce_init);
module_exit(openonce_exit);

test_openonce.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd = -1;

	if(argc < 2) {
		printf("The argument is too few\n");
		return -1;
	}

	fd = open(argv[1], O_RDWR);
	if(fd < 0) {
		perror("open");
		return -1;
	}

	while(1);
	close(fd);
	fd = -1;
	return 0;
}

实现效果

在这里插入图片描述

四、自旋锁：基于忙等待的并发控制机制

a.定义自旋锁
spinlock_t lock;

b.初始化自旋锁
spin_lock_init(spinlock_t *);

c.获得自旋锁
spin_lock(spinlock_t *); //成功获得自旋锁立即返回，否则自旋在那里直到该自旋锁的保持者释放

spin_trylock(spinlock_t *); //成功获得自旋锁立即返回真，否则返回假，而不是像上一个那样"在原地打转”

d.释放自旋锁
spin_unlock(spinlock_t *);

#include <linux/spinlock.h>
定义spinlock_t类型的变量lock
spin_lock_init(&lock)后才能正常使用spinlock


spin_lock(&lock);
临界区
spin_unlock(&lock);

适用场合：

  1. 异常上下文之间或异常上下文与任务上下文之间共享资源时
  2. 任务上下文之间且临界区执行时间很短时
  3. 互斥问题

实现代码

openonce_spinlock.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/atmdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/ioctl.h>

#define BUF_LEN 100

int major = 11;					//主设备号
int minor = 0;					//次设备号
int char_num = 1;				//设备号数量

struct openonce_dev 
{
	struct cdev mydev;
	char mydev_buf[BUF_LEN];
	int curlen;
	
	int openflag; //1 can open , 0 not open
	spinlock_t lock;
};
struct openonce_dev gmydev;

int openonce_open (struct inode *pnode, struct file *pfile)//打开设备
{
	struct openonce_dev *pmydev = NULL;
	pfile->private_data = (void *) (container_of(pnode->i_cdev, struct openonce_dev, mydev));
	pmydev = (struct openonce_dev *)pfile->private_data;

	spin_lock(&pmydev->lock);
	if(pmydev->openflag) {
		pmydev->openflag = 0;
		spin_unlock(&pmydev->lock);
		return 0;
	} else {	
		spin_unlock(&pmydev->lock);
		return -1;
	}
}

int openonce_close(struct inode *pnode, struct file *pfile)//关闭设备
{
	struct openonce_dev *pmydev = (struct openonce_dev *)pfile->private_data;

	spin_lock(&pmydev->lock);
		pmydev->openflag = 1;
	spin_unlock(&pmydev->lock);
	return 0;
}

struct file_operations myops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = openonce_open,
	.release = openonce_close,
};

int __init openonce_init(void) 
{
	int ret = 0;
	dev_t devno = MKDEV(major, minor);

	/* 手动申请设备号 */
	ret = register_chrdev_region(devno, char_num, "openonce");
	if (ret) {
		/* 动态申请设备号 */
		ret = alloc_chrdev_region(&devno, minor, char_num, "openonce");
		if(ret){
			printk("get devno failed\n");
			return -1;
		}
		/*申请成功 更新设备号*/
		major = MAJOR(devno);
	}
	
	/* 给struct cdev对象指定操作函数集 */
	cdev_init(&gmydev.mydev, &myops);

	/* 将struct cdev对象添加到内核对应的数据结构中 */
	gmydev.mydev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_add(&gmydev.mydev, devno, char_num);

	gmydev.openflag = 1;
	spin_lock_init(&gmydev.lock);
	return 0;
}

void __exit openonce_exit(void) 
{

	dev_t devno = MKDEV(major, minor);
	printk("exit %d\n", devno);
	
	/* 从内核中移除一个字符设备 */
	cdev_del(&gmydev.mydev);

	/* 回收设备号 */
	unregister_chrdev_region(devno, char_num);

}

MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(openonce_init);
module_exit(openonce_exit);

test_openonce.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd = -1;

	if(argc < 2) {
		printf("The argument is too few\n");
		return -1;
	}

	fd = open(argv[1], O_RDWR);
	if(fd < 0) {
		perror("open");
		return -1;
	}

	while(1);
	close(fd);
	fd = -1;
	return 0;
}

效果和原子变量一样

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