你好，我是拉依达。

这是我的Linux驱动开发八股文详细解析系列。

本系列最开始是我在csdn上更新的文章，目前已经是csdn搜索“linux驱动”综合推荐第一名，累计阅读次数4w次。

全文总字数近8w字，是目前全网最全面，最清晰的入门linux驱动学习资料。

现重新对内容进行整理，希望可以帮助到更多学习嵌入式的同学。

九、内核并发与竞争

9.1 并发与竞争概念

Linux 系统是个多任务操作系统，会存在多个任务同时访问同一片内存区域，这些任务可能会相互覆盖这段内存中的数据，造成内存数据混乱。我们需要对共享数据进行相应的保护处理。

• 并发：多个执行单元同时进行或多个执行单元微观串行执行，宏观并行执行。

  • 多线程并发访问， Linux 是多任务(线程)的系统，多线程访问是最基本的原因
  • 抢占式并发访问，Linux 内核支持抢占，调度程序可以在任意时刻抢占正在运行的线程，从而运行其他的线程。
  • 中断程序并发访问，硬件中断的权利可以是很大的。
  • SMP(多核)核间并发访问，多核 CPU 存在核间并发访问。

• 竞争：并发的执行单元对共享资源（硬件资源和软件上的全局变量）的访问而导致的竞争状态。

• 临界资源： 多个进程访问的资源，共享数据段

• 临界区：多个进程访问的代码段

9.2 原子操作

原子操作是指不能再进一步分割的操作。一般原子操作用于整形变量或者位操作。

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

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，

atomic_t a; //定义 a
atomic_t b = ATOMIC_INIT(0); //定义原子变量 b 并赋初值为 0

原子操作API函数

原子位操作 API 函数

例

• 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。
• 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,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。

/* gpioled设备结构体 */
struct gpioled_dev{
	......
	int led_gpio;			/* led所使用的GPIO编号		*/
	atomic_t lock;			/* 原子变量 */
};

struct gpioled_dev gpioled;	/* led设备 */

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	/* 通过判断原子变量的值来检查LED有没有被别的应用使用 */
	if (!atomic_dec_and_test(&gpioled.lock)) 
	{
		atomic_inc(&gpioled.lock);	/* 小于0的话就加1,使其原子变量等于0 */
		return -EBUSY;				/* LED被使用，返回忙 */
	}
	......
}

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;

	/* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 */
	atomic_inc(&dev->lock);
	return 0;
}


static int __init led_init(void)
{
	int ret = 0;

	/* 初始化原子变量 */
	atomic_set(&gpioled.lock, 1);	/* 原子变量初始值为1 */
	......
	return 0;
}

static void __exit led_exit(void)
{
	......
}

9.2 自旋锁

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，直到线程A释放自旋锁，线程B才可以访问共享资源。

由于等待自旋锁会浪费处理器时间，降低系统性能，所以自旋锁的持有时间不能太长，所以自旋锁适用于短时期的轻量级加锁。

例

• 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。
• 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。
• 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。
• 在 release 函数中将 dev_stats 减 1，表示设备被释放了
• 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。

/* gpioled设备结构体 */
struct gpioled_dev{
	......
	int dev_stats;			/* 设备使用状态，0，设备未使用;>0,设备已经被使用 */
	spinlock_t lock;		/* 自旋锁 */
};

struct gpioled_dev gpioled;	/* led设备 */

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	......
	spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags);	/* 上锁 */
	if (gpioled.dev_stats) 
	{					/* 如果设备被使用了 */
		spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */
		return -EBUSY;
	}
	gpioled.dev_stats++;	/* 如果设备没有打开，那么就标记已经打开了 */
	spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */

	return 0;
}

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	......
	/* 关闭驱动文件的时候将dev_stats减1 */
	spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags);	/* 上锁 */
	if (dev->dev_stats) 
	{
		dev->dev_stats--;
	}
	spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);/* 解锁 */

	return 0;
}

/*
 * @description	: 驱动入口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init led_init(void)
{
	int ret = 0;
	/*  初始化自旋锁 */
	spin_lock_init(&gpioled.lock);
	......
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit led_exit(void)
{
	......
}

9.3 信号量

Linux 内核提供了信号量机制，信号量常常用于控制对共享资源的访问。它是一个计数器，常用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。

• 信号量可以使等待资源线程进入休眠状态，适用于占用资源比较久的场合
• 信号量会引起休眠，中断不能休眠，所以信号量不能用于中断。
• 如果共享资源的持有时间比较短，不适合使用信号量，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优势，此时使用自旋锁。

例

/* gpioled设备结构体 */
struct gpioled_dev{
	......
	struct semaphore sem;	/* 信号量 */
};

struct gpioled_dev gpioled;	/* led设备 */

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	......
	/* 获取信号量 */
	if (down_interruptible(&gpioled.sem)) { /* 获取信号量,进入休眠状态的进程可以被信号打断 */
		return -ERESTARTSYS;
	}
#if 0
	down(&gpioled.sem);		/* 不能被信号打断 */
#endif

	return 0;
}
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	......
	up(&dev->sem);		/* 释放信号量，信号量值加1 */
	return 0;
}

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations gpioled_fops = {
	......
};

static int __init led_init(void)
{
	int ret = 0;

	/* 初始化信号量 */
	sema_init(&gpioled.sem, 1);
	......
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit led_exit(void)
{
	......
}

9.4 互斥体

Linux 提供了专门的互斥体mutex （等效信号量为1） 。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（死锁）。在 Linux 驱动的时遇到需要互斥访问的地方一般使用 mutex。

• 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。
• mutex 保护的临界区可以调用引起阻塞的 API 函数(信号量也可以)
• 因为一次只有一个线程可以持有 mutex，所以，必须由 mutex 的持有者释放 mutex。并且 mutex 不能递归上锁和解锁

/* gpioled设备结构体 */
struct gpioled_dev{
	......
	struct mutex lock;		/* 互斥体 */
};

struct gpioled_dev gpioled;	/* led设备 */

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	......
	/* 获取互斥体,可以被信号打断 */
	if (mutex_lock_interruptible(&gpioled.lock)) {
		return -ERESTARTSYS;
	}
#if 0
	mutex_lock(&gpioled.lock);	/* 不能被信号打断 */
#endif
	return 0;
}
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	......
	/* 释放互斥锁 */
	mutex_unlock(&dev->lock);
	return 0;
}

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations gpioled_fops = {
	......
};

static int __init led_init(void)
{
	......
	/* 初始化互斥体 */
	mutex_init(&gpioled.lock);
	......
}

static void __exit led_exit(void)
{
	......
}