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linux 设备驱动程序 (4) – 并发

linux 设备驱动程序 (4) – 并发

进行 linux 驱动开发不得不考虑的问题就是并发问题. 因为在内核态, 代码是可抢占的, 你不知道什么时候内核会抢占你对 CPU 的使用权来执行另一段代码 (这段代码可能会修改掉你的数据). 而且现在大多使用 SMP(对称多处理器), 代码甚至可以同时执行. 性能得到了很大提升但是编程的复杂程度也高了很多. 特别是在如何防止数据被其他执行线程修改上. 幸运的是, linux 已经提供了很多设施来完成这个功能.

1. 信号量 & 互斥体

这个在多线程编程中太常见了, 就不赘述了. 另外记一下 semaphore 这个单词, 总是拼错.

列一下函数原型:

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#include <linux/semaphore.h> /* 不像书中所写
				并没有<asm/semaphore.h> */
void sema_init(struct semaphore *sem, int val);
void down(struct semaphore *sem);
int down_interruptible(struct semaphore *sem);
int down_trylock(struct semaphore *sem);
void up(struct semaphore *sem);
 
void init_rwsem(struct rw_semaphore *sem);
void down_read(struct rw_semaphore *sem);
int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem);
void up_read(struct rw_semaphore *sem);
void down_write(struct rw_semaphore *sem);
int down_write_trylock(struct rw_semaphore *sem);
void up_write(struct rw_semaphore *sem);
void downgrade_write(struct rw_semaphore *sem);

<<linux 设备驱动程序>> 上所说的 init_MUTEX 函数貌似在新版本中已经删掉了, 可以用 sema_init(&sem, 1); 来代替.
down_interruptible 函数当被中断时会返回非零值, down_trylock 当信号量不可获得时会返回非零值.

2. 自旋锁

当对信号量执行 down 函数时, 如果当前无法获取信号量, 会阻塞当前执行线程, 但是并非 CPU 空转不工作. 而是” 进入休眠”. 进入休眠是一个有明确定义的术语. 当” 进入休眠” 时, 执行线程会进入休眠状态, 这时会把 CPU 让给其他执行线程知道将来它能获取信号量为止.

但是自旋锁不一样, 当线程对自旋锁进行” 锁定” 动作时, 如果自旋锁已经被其他线程锁定, 那么当前线程将进行” 自旋”. 所谓自旋, 其实就是一个 while 循环 [它循环重复检查这个锁直到锁可用为止]. 所以说可见自旋锁当锁定时不会让出 CPU.

所以自旋锁简单, 而且也比信号量快 (因为不用设计到 CPU 调度). 但是使用却有一些限制:

  • 考虑当前系统是单处理器非抢占系统, 那么如果一个线程进入自旋状态, 那么因为没有抢占其他线程得不到执行, 所以无法解锁自旋锁. 那么这个线程会一直循环下去. 整个系统会被卡死. 所以在非抢占式单处理器系统上自旋锁被优化为不做任何事.
  • 考虑在一个单处理器抢占式系统上. 一个线程获得了一个自旋锁, 然后再临界区执行时丢掉了 CPU(可能被抢占, 可能调用了进入休眠的函数). 如果获得 CPU 的线程也想获取那个自旋锁, 那么整个系统会死锁下去. 所以为了避免这个, 当一个线程获得自旋锁之后此线程所在的 CPU 的抢占会被禁止. 另外, 人们要注意不要再获得自旋锁之后执行会丢掉 CPU 的函数.
  • 另外, 当线程获得自旋锁之后, 发生了中断, 中断例程也请求获取自旋锁, 这时整个系统也会进入死锁. 可以在获取锁时关闭当前 CPU 中断来解决.
  • 最后, 自旋锁的重要准则是: “自旋锁必须在可能的最短时间内拥有 “
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#include <linux/spinlock.h>
 
spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
void spin_lock_init(spinlock_t *lock);
 
void spin_lock(spinlock_t *lock);
void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags);
void spin_lock_irq(spinlock_t *lock);
void spin_lock_bh(spinlock_t *lock);
 
void spin_unlock(spinlock_t *lock);
void spin_unlock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags);
void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock);
void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock);
 
int spin_trylock(spinlock_t *lock);
int spin_trylock_bh(spinlock_t *lock);

irqsave 会将中断状态保存在 flags 中, 当 unlock 时必须提供同一个 flags.

irq 函数会禁止本处理器的中断.

bh 会关闭软中断.

同样, 自旋锁有 rw 版本.

3. 使用锁的一些准则与陷阱

  • 在编写函数时, 被调用的函数不能锁定此函数中一定锁定的锁否则会造成死锁. 所以当编写那些假定调用者已经获取锁的函数时, 最好在注释中写明, 在此函数被调用之前调用者已经加锁. 防止几个月后重写时在函数中误加锁造成死锁. [最好养成习惯只在某一类函数中加锁 (如只在系统调用直接调用的函数中加锁)]
  • 必须同时获取多个锁时, 最好都按照一定顺序获取.
  • 先获取局部的锁, 再获取全局的锁.
  • 先获取信号量, 再获取自旋锁.

4. 循环队列

使用循环队列是一种免锁算法. 生产者在队列的一端中写入, 消费者从另一端取走. 如果设计的好, 可以不必使用锁.

在 <linux/kfifo.h> 中有实现好的循环队列.

5. 原子变量

当对一个简单的整数进行加减的时候也加锁显得有些小题大做了. 但是很多整数运算确实不是原子的, 如 ++i;

所以 linux 内核实现了原子类型 atomic_t 来进行高效的原子的整形运算.

具体参见 <asm/atomic.h>

6. 原子位操作

除了原子的整数变量, 内核也提供了原子的位操作类型和函数. 集体参见 <asm/bitops.h>

7.seqlock

8. 读取 - 复制 - 更新 (RCU)

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