第20章原子操作实验（iTOP-RK3568开发板驱动开发指南）

在上一章节的实验中，对并发与竞争进行了实验，两个app应用程序之间对共享资源的竞争访问引起了数据传输错误，而在Linux内核中，提供了四种处理并发与竞争的常见方法，分别是原子操作、自旋锁、信号量、互斥体，在之后的几个章节中会依次对上述四种方法进行讲解。

本章首先对四种常见方法中的原子操作进行讲解。

20.1 原子操作

“原子”是化学世界中不可再分的最小微粒，一切物质都由原子组成。在Linux内核中的原子操作可以理解为“不可被拆分的操作”，就是不能被更高等级中断抢夺优先的操作。在C语言中可以使用以下代码对一个整形变量赋值。

int v;//定义一个int类型的变量v
v = 1;//将int类型的变量v赋值为1

而上述代码仍然不是“不可拆分的操作”，C语言程序仍然需要翻译成汇编指令，在汇编指令的执行过程中仍可能会有竞争的产生。而原子操作会将整形变量的操作当成一个整体，不可再进行分割。而原子操作又可以进一步细分为“整型原子操作”和“位原子操作”，这里首先对****整型原子操作****进行讲解。

在Linux内核中使用 atomic_t和atomic64_t结构体分别来完成32位系统和64位系统的整形数据原子操作，两个结构体定义在“内核源码/include/linux/types.h”文件中，具体定义如下：

 typedef struct {
     int counter;
 } atomic_t;
 
 #ifdef CONFIG_64BIT
 typedef struct {
     long counter;
} atomic64_t;
 #endif

例如可以使用以下代码定义一个64位系统的原子整形变量：

atomic64_t v;

在成功定义原子变量之后，必然要对原子变量进行读取、加减等动作，原子操作的部分常用API函数如下所示，定义在“内核源码/include/linux/atomic.h”文件中，所以在接下来的实验中需要加入该头文件的引用。

函数	描述
ATOMIC_INIT(int i)	定义原子变量的时候对其初始化，赋值为i
int atomic_read(atomic_t *v)	读取v的值，并且返回。
void atomic_set(atomic_t *v, int i)	向原子变量v写入i值。
void atomic_add(int i, atomic_t *v)	原子变量v加上i值。
void atomic_sub(int i, atomic_t *v)	原子变量v减去i值。
void atomic_inc(atomic_t *v)	原子变量v加1
void atomic_dec(atomic_t *v)	原子变量v减1
int atomic_dec_return(atomic_t *v)	原子变量v减1，并返回v的值。
int atomic_inc_return(atomic_t *v)	原子变量v加 1，并返回v的值。
int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v)	原子变量v减 i，如果结果为0就返回真，否则返回假
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)	原子变量v减 1，如果结果为0就返回真，否则返回假
int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)	原子变量v加 1，如果结果为0就返回真，否则返回假
int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v)	原子变量v加 i，如果结果为负就返回真，否则返回假

图表20- 1

至此，对于整型原子操作的相关API函数就讲解完成了，会在下一小节中使用上述原子整形操作API进行相应的实验。

下面对原子位操作进行讲解，和原子整形变量不同，原子位操作没有 atomic_t 的数据结构，原子位操作是直接对内存进行操作，原子位操作相关API函数如下（图表20-2）所示：

函数	描述
void set_bit(int nr, void *p)	将 p 地址的第 nr 位置 1。
void clear_bit(int nr,void *p)	将 p 地址的第 nr 位清零。
void change_bit(int nr, void *p)	将 p 地址的第 nr 位进行翻转。
int test_bit(int nr, void *p)	获取 p 地址的第 nr 位的值。
int test_and_set_bit(int nr, void *p)	将 p 地址的第 nr 位置 1，并且返回 nr 位原来的值。
int test_and_clear_bit(int nr, void *p)	将 p 地址的第 nr 位清零，并且返回 nr 位原来的值。
int test_and_change_bit(int nr, void *p)	将 p 地址的第 nr 位翻转，并且返回 nr 位原来的值。

图表20- 2

对于原子位操作的知识就不再深入讲解和实验，感兴趣的同学可以到相关网站上进行自主学习。

在下一小节中，将会使用原子整形操作对19章的并发与竞争实验进行改进。

20.2 实验程序的编写

20.2.1 驱动程序编写

本实验对应的网盘路径为：iTOP-RK3568开发板【底板V1.7版本】\03_【iTOP-RK3568开发板】指南教程\02_Linux驱动配套资料\04_Linux驱动例程\15\module。

为了解决第19章实验中并发与竞争的问题，本章节实验将加入原子整形操作相关实验代码，在open()函数和release()函数中加入原子整形变量v的赋值代码，并且在open()函数中加入原子整形变量v的判断代码，从而实现同一时间内只允许一个应用打开该设备节点，以此来防止共享资源竞争的产生。

编写完成的atomic.c代码如下所示

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/atomic.h>
#include <linux/errno.h>

static atomic64_t v = ATOMIC_INIT(1);//初始化原子类型变量v,并设置为1
static int open_test(struct inode *inode,struct file *file)
{
	if(atomic64_read(&v) != 1){//读取原子类型变量v的值并判断是否等于1
		return -EBUSY;
	}
	atomic64_set(&v,0);//将原子类型变量v的值设置为0
	//printk("\nthis is open_test \n");
	return 0;
}

static ssize_t read_test(struct file *file,char __user *ubuf,size_t len,loff_t *off)
{
	int ret;
	char kbuf[10] = "topeet";//定义char类型字符串变量kbuf
	printk("\nthis is read_test \n");
	ret = copy_to_user(ubuf,kbuf,strlen(kbuf));//使用copy_to_user接收用户空间传递的数据
	if (ret != 0){
		printk("copy_to_user is error \n");
	}
	printk("copy_to_user is ok \n");
	return 0;
}
static char kbuf[10] = {0};//定义char类型字符串全局变量kbuf
static ssize_t write_test(struct file *file,const char __user *ubuf,size_t len,loff_t *off)
{
	int ret;
	ret = copy_from_user(kbuf,ubuf,len);//使用copy_from_user接收用户空间传递的数据
	if (ret != 0){
		printk("copy_from_user is error\n");
	}
	if(strcmp(kbuf,"topeet") == 0 ){//如果传递的kbuf是topeet就睡眠四秒钟
		ssleep(4);
	}
	else if(strcmp(kbuf,"itop") == 0){//如果传递的kbuf是itop就睡眠两秒钟
		ssleep(2);
	}
	printk("copy_from_user buf is %s \n",kbuf);
	return 0;
}
static int release_test(struct inode *inode,struct file *file)
{
	//printk("\nthis is release_test \n");
	atomic64_set(&v,1);//将原子类型变量v的值赋1
	return 0;
}

struct chrdev_test {
       dev_t dev_num;//定义dev_t类型变量dev_num来表示设备号
       int major,minor;//定义int类型的主设备号major和次设备号minor
       struct cdev cdev_test;//定义struct cdev 类型结构体变量cdev_test，表示要注册的字符设备
       struct class *class_test;//定于struct class *类型结构体变量class_test，表示要创建的类
};
struct chrdev_test dev1;//创建chrdev_test类型的
struct file_operations fops_test = {
      .owner = THIS_MODULE,//将owner字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块
      .open = open_test,//将open字段指向open_test(...)函数
      .read = read_test,//将read字段指向read_test(...)函数
      .write = write_test,//将write字段指向write_test(...)函数
      .release = release_test,//将release字段指向release_test(...)函数
};
 
static int __init atomic_init(void)
{
	if(alloc_chrdev_region(&dev1.dev_num,0,1,"chrdev_name") < 0 ){//自动获取设备号，设备名chrdev_name
		printk("alloc_chrdev_region is error \n");
	}
	printk("alloc_chrdev_region is ok \n");
	dev1.major = MAJOR(dev1.dev_num);//使用MAJOR()函数获取主设备号
	dev1.minor = MINOR(dev1.dev_num);//使用MINOR()函数获取次设备号
	printk("major is %d,minor is %d\n",dev1.major,dev1.minor);
	cdev_init(&dev1.cdev_test,&fops_test);//使用cdev_init()函数初始化cdev_test结构体，并链接到fops_test结构体
	dev1.cdev_test.owner = THIS_MODULE;//将owner字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块
	cdev_add(&dev1.cdev_test,dev1.dev_num,1);//使用cdev_add()函数进行字符设备的添加
	dev1.class_test = class_create(THIS_MODULE,"class_test");//使用class_create进行类的创建，类名称为class_test
	device_create(dev1.class_test,0,dev1.dev_num,0,"device_test");//使用device_create进行设备的创建，设备名称为device_test
	return 0;
}

static void __exit atomic_exit(void)
{
	device_destroy(dev1.class_test,dev1.dev_num);//删除创建的设备
	class_destroy(dev1.class_test);//删除创建的类
	cdev_del(&dev1.cdev_test);//删除添加的字符设备cdev_test
	unregister_chrdev_region(dev1.dev_num,1);//释放字符设备所申请的设备号
	printk("module exit \n");
}
module_init(atomic_init);
module_exit(atomic_exit)
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_AUTHOR("topeet");

20.2.2 编写测试 APP

本实验应用程序对应的网盘路径为：iTOP-RK3568开发板【底板V1.7版本】\03_【iTOP-RK3568开发板】指南教程\02_Linux驱动配套资料\04_Linux驱动例程\15\app。

本测试app代码和上一章节相同，需要输入两个参数，第一个参数为对应的设备节点，第二个参数为“topeet”或者“itop”，分别代表向设备写入的数据，编写完成的应用程序app.c内容如下所示：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 #include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;//定义int类型的文件描述符
	char str1[10] = {0};//定义读取缓冲区str1
	fd = open(argv[1],O_RDWR);//调用open函数，打开输入的第一个参数文件，权限为可读可写
	if(fd < 0 ){
		printf("file open failed \n");
		return -1;
	}
	/*如果第二个参数为topeet，条件成立，调用write函数，写入topeet*/    
	if (strcmp(argv[2],"topeet") == 0 ){
		write(fd,"topeet",10);
	}
	/*如果第二个参数为itop，条件成立，调用write函数，写入itop*/  
	else if (strcmp(argv[2],"itop") == 0 ){
		write(fd,"itop",10);
	}
	close(fd); 
	return 0;
}

20.3 运行测试

20.3.1 编译驱动程序

在上一小节中的atomic.c代码同一目录下创建 Makefile 文件，Makefile 文件内容如下所示：

export ARCH=arm64#设置平台架构
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-#交叉编译器前缀
obj-m += atomic.o    #此处要和你的驱动源文件同名
KDIR :=/home/topeet/Linux/linux_sdk/kernel    #这里是你的内核目录                                                                                                                            
PWD ?= $(shell pwd)
all:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules    #make操作
clean:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean    #make clean操作

对于Makefile的内容注释已在上图添加，保存退出之后，来到存放atomic.c和Makefile文件目录下，如下图（图20-4）所示：

图 20-4

然后使用命令“make”进行驱动的编译，编译完成如下图（图20-5）所示：

图 20-5

编译完生成atomic.ko目标文件，如下图（图20-6）所示：

图 20-6

至此驱动模块就编译成功了，下面进行应用程序的编译。

20.3.2 编译应用程序

来到应用程序app.c文件的存放路径如下图（图20-7）所示：

图 20-7

然后使用以下命令对app.c进行交叉编译，编译完成如下图（图20-8）所示：

aarch64-linux-gnu-gcc -o app app.c -static

图 20-8

生成的app文件就是之后放在开发板上运行的可执行文件，至此应用程序的编译就完成了。

20.3.3 运行测试

开发板启动之后，使用以下命令进行驱动模块的加载，如下图（图20-9）所示：

insmod atomic.ko

图 20-9

可以看到申请的主设备号和次设备号就被打印了出来，然后使用以下代码对自动生成的设备节点device_test进行查看，如下图（图20-10）所示：

 ls /dev/device_test

图 20-10

可以看到device_test节点已经被自动创建了，然后使用以下命令运行测试app，运行结果如下图（图20-11）所示：

./app /dev/device_test topeet

图 20-11

可以看到传递的buf值为topeet，然后输入以下命令在后台运行两个app，来进行竞争测试，运行结果如下图（图20-12）所示：

./app /dev/device_test topeet &

./app /dev/device_test itop

图 20-12

可以看到应用程序在打开第二次/dev/device_test 文件的时候，出现了“file open failed”打印，证明文件打开失败，只有在第一个应用关闭相应的文件之后，下一个应用才能打开，通过限制同一时间内设备访问数量，来对共享资源进行保护。

最后可以使用以下命令进行驱动的卸载，如下图（图20-13）所示：

rmmod flag.ko

图 20-13

p /dev/device_test itop


[外链图片转存中...(img-ggVvfwTR-1694222528726)] 

图 20-12

	可以看到应用程序在打开第二次/dev/device_test 文件的时候，出现了“file open failed”打印，证明文件打开失败，只有在第一个应用关闭相应的文件之后，下一个应用才能打开，通过限制同一时间内设备访问数量，来对共享资源进行保护。

最后可以使用以下命令进行驱动的卸载，如下图（图20-13）所示：

rmmod flag.ko


[外链图片转存中...(img-hcalLUxj-1694222528726)] 

图 20-13

至此，原子操作实验就完成了。