深入淺出Linux設(shè)備驅(qū)動之并發(fā)控制
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深入淺出Linux設(shè)備驅(qū)動之并發(fā)控制
在驅(qū)動程序中，當(dāng)多個線程同時訪問相同的資源時（驅(qū)動程序中的全局變量是一種典型的共享資源），可能會引發(fā)"競態(tài)"，因此我們必須對共享資源進(jìn)行并發(fā)控制。Linux內(nèi)核中解決并發(fā)控制的最常用方法是自旋鎖與信號量（絕大多數(shù)時候作為互斥鎖使用）。
自旋鎖與信號量"類似而不類"，類似說的是它們功能上的相似性，"不類"指代它們在本質(zhì)和實現(xiàn)機(jī)理上完全不一樣，不屬于一類。
自旋鎖不會引起調(diào)用者睡眠，如果自旋鎖已經(jīng)被別的執(zhí)行單元保持，調(diào)用者就一直循環(huán)查看是否該自旋鎖的保持者已經(jīng)釋放了鎖，"自旋"就是"在原地打轉(zhuǎn)"。而信號量則引起調(diào)用者睡眠，它把進(jìn)程從運(yùn)行隊列上拖出去，除非獲得鎖。這就是它們的"不類"。
但是，無論是信號量，還是自旋鎖，在任何時刻，最多只能有一個保持者，即在任何時刻最多只能有一個執(zhí)行單元獲得鎖。這就是它們的"類似"。
鑒于自旋鎖與信號量的上述特點，一般而言，自旋鎖適合于保持時間非常短的情況，它可以在任何上下文使用；信號量適合于保持時間較長的情況，會只能在進(jìn)程上下文使用。如果被保護(hù)的共享資源只在進(jìn)程上下文訪問，則可以以信號量來保護(hù)該共享資源，如果對共享資源的訪問時間非常短，自旋鎖也是好的選擇。但是，如果被保護(hù)的共享資源需要在中斷上下文訪問（包括底半部即中斷處理句柄和頂半部即軟中斷），就必須使用自旋鎖。
與信號量相關(guān)的API主要有：
定義信號量
struct semaphore sem;
初始化信號量
void sema_init (struct semaphore *sem, int val);
該函數(shù)初始化信號量，并設(shè)置信號量sem的值為val
void init_MUTEX (struct semaphore *sem);
該函數(shù)用于初始化一個互斥鎖，即它把信號量sem的值設(shè)置為1，等同于sema_init (struct semaphore *sem, 1)；
void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem);
該函數(shù)也用于初始化一個互斥鎖，但它把信號量sem的值設(shè)置為0，等同于sema_init (struct semaphore *sem, 0)；
獲得信號量
void down(struct semaphore * sem);
該函數(shù)用于獲得信號量sem，它會導(dǎo)致睡眠，因此不能在中斷上下文使用；
int down_interruptible(struct semaphore * sem);
該函數(shù)功能與down類似，不同之處為，down不能被信號打斷，但down_interruptible能被信號打斷；
int down_trylock(struct semaphore * sem);
該函數(shù)嘗試獲得信號量sem，如果能夠立刻獲得，它就獲得該信號量并返回0，否則，返回非0值。它不會導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，可以在中斷上下文使用。
釋放信號量
void up(struct semaphore * sem);
該函數(shù)釋放信號量sem，喚醒等待者。
與自旋鎖相關(guān)的API主要有：
定義自旋鎖
spinlock_t spin;
初始化自旋鎖
spin_lock_init(lock)
該宏用于動態(tài)初始化自旋鎖lock
獲得自旋鎖
spin_lock(lock)
該宏用于獲得自旋鎖lock，如果能夠立即獲得鎖，它就馬上返回，否則，它將自旋在那里，直到該自旋鎖的保持者釋放；
spin_trylock(lock)
該宏嘗試獲得自旋鎖lock，如果能立即獲得鎖，它獲得鎖并返回真，否則立即返回假，實際上不再"在原地打轉(zhuǎn)"；
釋放自旋鎖
spin_unlock(lock)
該宏釋放自旋鎖lock，它與spin_trylock或spin_lock配對使用；
除此之外，還有一組自旋鎖使用于中斷情況下的API。
下面進(jìn)入對并發(fā)控制的實戰(zhàn)。首先，在globalvar的驅(qū)動程序中，我們可以通過信號量來控制對int global_var的并發(fā)訪問，下面給出源代碼：
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/semaphore.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
#define MAJOR_NUM 254
static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*);
static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*);
struct file_operations globalvar_fops =
{
read: globalvar_read, write: globalvar_write,
};
static int global_var = 0;
static struct semaphore sem;
static int __init globalvar_init(void)
{
int ret;
ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops);
if (ret)
{
printk("globalvar register failure");
}
else
{
printk("globalvar register success");
init_MUTEX(&sem);
}
return ret;
}
static void __exit globalvar_exit(void)
{
int ret;
ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar");
if (ret)
{
printk("globalvar unregister failure");
}
else
{
printk("globalvar unregister success");
}
}
static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
//獲得信號量
if (down_interruptible(&sem))
{
return - ERESTARTSYS;
}
//將global_var從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間
if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)))
{
up(&sem);
return - EFAULT;
}
//釋放信號量
up(&sem);
return sizeof(int);
}
ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
//獲得信號量
if (down_interruptible(&sem))
{
return - ERESTARTSYS;
}
//將用戶空間的數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)核空間的global_var
if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))
{
up(&sem);
return - EFAULT;
}
//釋放信號量
up(&sem);
return sizeof(int);
}
module_init(globalvar_init);
module_exit(globalvar_exit);
接下來，我們給globalvar的驅(qū)動程序增加open()和release()函數(shù)，并在其中借助自旋鎖來保護(hù)對全局變量int globalvar_count（記錄打開設(shè)備的進(jìn)程數(shù)）的訪問來實現(xiàn)設(shè)備只能被一個進(jìn)程打開（必須確保globalvar_count最多只能為1）：
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/semaphore.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
#define MAJOR_NUM 254
static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*);
static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*);
static int globalvar_open(struct inode *inode, struct file *filp);
static int globalvar_release(struct inode *inode, struct file *filp);
struct file_operations globalvar_fops =
{
read: globalvar_read, write: globalvar_write, open: globalvar_open, release:
globalvar_release,
};
static int global_var = 0;
static int globalvar_count = 0;
static struct semaphore sem;
static spinlock_t spin = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
static int __init globalvar_init(void)
{
int ret;
ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops);
if (ret)
{
printk("globalvar register failure");
}
else
{
printk("globalvar register success");
init_MUTEX(&sem);
}
return ret;
}
static void __exit globalvar_exit(void)
{
int ret;
ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar");
if (ret)
{
printk("globalvar unregister failure");
}
else
{
printk("globalvar unregister success");
}
}
static int globalvar_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
//獲得自選鎖
spin_lock(&spin);
//臨界資源訪問
if (globalvar_count)
{
spin_unlock(&spin);
return - EBUSY;
}
globalvar_count++;
//釋放自選鎖
spin_unlock(&spin);
return 0;
}
static int globalvar_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
globalvar_count--;
return 0;
}
static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t
*off)
{
if (down_interruptible(&sem))
{
return - ERESTARTSYS;
}
if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)))
{
up(&sem);
return - EFAULT;
}
up(&sem);
return sizeof(int);
}
static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len,
loff_t *off)
{
if (down_interruptible(&sem))
{
return - ERESTARTSYS;
}
if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))
{
up(&sem);
return - EFAULT;
}
up(&sem);
return sizeof(int);
}
module_init(globalvar_init);
module_exit(globalvar_exit);
為了上述驅(qū)動程序的效果，我們啟動兩個進(jìn)程分別打開/dev/globalvar。在兩個終端中調(diào)用./globalvartest.o測試程序，當(dāng)一個進(jìn)程打開/dev/globalvar后，另外一個進(jìn)程將打開失敗，輸出"device open failure".
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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