七、（正点原子）Linux并发与竞争

本文主要是介绍七、（正点原子）Linux并发与竞争，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

Linux是多任务操作系统，肯定会存在多个任务共同操作同一段内存或者设备的情况，多个任务甚至中断都能访问的资源叫做共享资源。在驱动开发中要注意对共享资源的保护，也就是要处理对共享资源的并发访问。

一、并发与竞争

1、简介

并发就是多个“用户”同时访问同一个共享资源，带来的问题就是竞争问题。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。针对这个问题必须要做处理，严重的话可能会导致系统崩溃。现在的 Linux 系统并发产生的原因很复杂，总结一下有下面几个主要原因：

多线程并发访问
抢占式并发访问
中断程序并发访问
SMP（多核）间并发访问

举一个简单的例子：比如说C语言中 a = 3 这样一句代码，它编译时候其实不是一句代码，而是编译成汇编的3句代码：

1 ldr r0, =0X30000000     /* 变量 a 地址 */
2 ldr r1, = 3             /* 要写入的值 */
3 str r1, [r0]            /* 将 3 写入到 a 变量中 */

比如正在执行上面的第二条语句时候，这个时候被其他任务打断，CPU被其他任务占用而且这个任务也是给一个变量赋值 b = 5 那么当这个任务运行到第二步时又被前面 a = 3 的任务打断，那么此时 r1 寄存器的值保存的就不是 3 而是 5 导致出现错误。

2、保护的内容是什么

并发是同时访问一个共享资源，那么共享资源是什么呢？说简单一点，共享资源其实就是数据，比如一个全局变量等等，所以找到要保护的数据才是重点，一般像全局变量，设备结构体这些肯定是必须保护的对象，其他的数据就要根据实际的驱动而定。

二、原子操作

1、简介

原子在化学中是最小的组成，不可再往下分，所以，原子操作就是指不可以再进一步分割的操作，一般原子操作用于变量或位操作。Linux内核提供了两组API函数，一组是对整型（int）变量进行操作，一组是对位进性操作。

整型原子操作API

Linux内核定义了叫 atomic_t 的结构体来完成整型数据的原子操作，使用原子变量来代替整型变量。定义在 include/linux/types.h中：

2、原子操作API函数

要使用原子操作API函数（定义在include/asm/atomic.h），首先要定义一个atomic_t的原子变量。

函数	描述
ATOMIC_INIT(int i)	定义原子变量并初始化
int atomic_read(atomic_t *v)	读取v的值，并返回
void atomic_set(atomic_t *v, int i)	给v写入i值
void atomic_add(int i,atomic_t *v)	给v加上i值
void atomic_sub(int i,atomic_t *v)	给v减去i值
void atomic_inc(atomic_t *v)	v自增1
void atomic_dec(atomic_t *v)	v自减1
int atomic_inc_return(atomic_t *v)	v自增1，并返回v的值
int atomic_dec_return(atomic_t *v)	v自减1，并返回v的值
int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)	v自增1，如果v==0返回真，否者返回假
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)	v自减1，如果v==0返回真，否者返回假
int atomic_sub_and_test(int i，atomic_t *v)	v减i值，如果v==0返回真，否者返回假
int atomic_add_negative(int i，atomic_t *v)	v加i值，如果v为负返回真，否者返回假

如果使用的时64位的SOC的话，要使用到64位的原子变量：

相应的API函数也是一样，将“atomic_”换位“atomic64_”。将“int”换为“long long”。

原子位操作API

位操作也就是将对应的位置1或清零这样的操作。Linux 内核也提供了一系列的原子位操作 API 函数，只不过原子位操作不像原子整形变量那样有个 atomic_t 的数据结构，原子位操作是直接对内存进行操作，API 函数（定义在include/asm/bitops.h）：

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)	pps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)	获取p地址的nr位并将该位置1，返回nr位原来的值
int test_and_clear_bit(int nr, void *p)	获取p地址的nr位并将该位清零，返回nr位原来的值
int test_and_change_bit(int nr, void *p)	获取p地址的nr位并将该位翻转，返回nr位原来的值

三、自旋锁

1、简介

原子操作只能对整形变量或者位进行保护，但是，在实际的使用环境中不可能只有整形变量或位这么简单的临界区（代码保护区）。举个最简单的例子，设备结构体变量就不是整型变量，我们对于结构体中成员变量的操作也要保证原子性，在线程 A 对结构体变量使用期间，应该禁止其他的线程来访问此结构体变量，这些工作原子操作都不能胜任，需要本节要讲的锁机制，在 Linux内核中就是自旋锁。

当一个线程要访问某个共享资源的时候首先要先获取相应的锁，锁只能被一个线程持有，只要此线程不释放持有的锁，那么其他的线程就不能获取此锁。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，而是会一直傻傻的在那里“转圈圈”的等待锁可用。

自旋锁的“自旋”也就是“原地打转”的意思，“原地打转”的目的是为了等待自旋锁可以用，可以访问共享资源。把自旋锁比作一个变量 a，变量 a=1 的时候表示共享资源可用，当 a=0的时候表示共享资源不可用。现在线程 A 要访问共享资源，发现 a=0(自旋锁被其他线程持有)，那么线程 A 就会不断的查询 a 的值，直到 a=1。从这里我们可以看到自旋锁的一个缺点：那就等待自旋锁的线程会一直处于自旋状态，这样会浪费处理器时间，降低系统性能，所以自旋锁的持有时间不能太长。

Linux内核使用结构体spinlock_t表示自旋锁，在linux/spinlock_types.h中定义：

在使用自旋锁之前，要先定义一个自旋锁变量，然后可以使用相应的API函数（定义在include/linux/spinlock.h）来操作自旋锁。

2、自旋锁API函数

函数	描述
DEFINE_SPINLOCK(spinlock_t lock)	定义并初始化一个自旋锁变量
int spin_lock_init(spinlock_t *lock)	初始化自旋锁
void spin_lock(spinlock_t *lock)	加锁
void spin_unlock(spinlock_t *lock)	解锁
int spin_trylock(spinlock_t *lock)	加锁，如果加锁失败返回0
int spin_is_locked(spinlock_t *lock)	检查lock是否被获取，如果没有被获取返回非0，否则返回0

自旋锁API适用于SMP（多核）或单CPU支持抢占的线程之间的并发访问，中断中也可以使用自旋锁，但是在中断里面使用自旋锁的时候，在获取锁之前一定要先禁止本地中断(也就是本 CPU 中断，对于多核 SOC来说会有多个 CPU 核)，否则可能导致锁死现象的发生。被自旋锁保护的临界区一定不能调用任何能够引起睡眠和阻塞的API 函数，否则的话会可能会导致死锁现象的发生自旋锁会自动禁止抢占，也就说当线程 A得到锁以后会暂时禁止内核抢占。如果线程 A 在持有锁期间进入了休眠状态，那么线程 A 会自动放弃 CPU 使用权。线程 B 开始运行，线程 B 也想要获取锁，但是此时锁被 A 线程持有，而且内核抢占还被禁止了！线程 B 无法被调度出去，那么线程 A 就无法运行，锁也就无法释放，死锁发生！

所以，一般在使用自旋锁之前，我们先关闭本地中断。Linux内核也提供了一些相应的API函数：

函数	描述
void spin_lock_irq(spinlock_t *lock)	禁止本地中断，并自锁
void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock)	激活本地中断，并解锁
void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock，unsigned long falgs)	保存中断状态，禁止本地中断，并自锁
void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock，unsigned long falgs)	将中断恢复原来状态，激活本地中断，并解锁

3、其他类型的锁

读写自旋锁

我们的数据使用自旋锁对其保护时，每次只能一个读和写操作，但是，实际上是可以多个线程并发读取数据的。只需要保证在修改数据的时候没有线程读取，或者读取时，没有线程在修改数据。也就是渡河写操作不能同时进性。所以引入了读写自旋锁。

读写自旋锁为读操作和写操作提供了不同的锁，一次只能允许一个写操作，在进性写操作时，不能进性读操作。可以多线程一起读操作，但读操作时不能进性写操作。Linux内核中定义了rwlock_t结构体（定义在include/linux/rwlock_types.h中）表示读写锁操作：

读写自旋锁的API函数（定义在include/linux/rwlock.h）:

函数	描述
DEFINE_RWLOCK(rwlock_t lock)	定义并初始化读写锁
void rwlock_init(rwlock_t *lock)	初始化读写锁
读锁
void read_lock(rwlock_t *lock)	获取读锁
void read_unlock(rwlock_t *lock)	释放读锁
void read_lock_irq(rwlock_t *lock)	禁止本地中断，并且获取读锁
void read_unlock_irq(rwlock_t *lock)	打开本地中断，并且释放读锁
void read_lock_irqsave(rwlock_t *lock, unsigned long flags)	保存中断状态，禁止本地中断，并获取读锁
void read_unlock_irqrestore(rwlock_t *lock, unsigned long flags)	将中断状态恢复到以前的状态，并且激活本地中断，释放读锁
写锁
void write_lock(rwlock_t *lock)	获取写锁
void write_unlock(rwlock_t *lock)	释放写锁
void write_lock_irq(rwlock_t *lock)	禁止本地中断，并且获取写锁
void write_unlock_irq(rwlock_t *lock)	打开本地中断，并且释放写锁
void write_lock_irqsave(rwlock_t *lock, unsigned long flags)	保存中断状态，禁止本地中断，并获取写锁
void write_unlock_irqrestore(rwlock_t *lock, unsigned long flags)	将中断状态恢复到以前的状态，并且激活本地中断，释放读锁

顺序锁

顺序锁在读写锁的基础上衍生而来的，使用读写锁的时候读操作和写操作不能同时进行。使用顺序锁的话可以允许在写的时候进行读操作，也就是实现同时读写，但是不允许同时进行并发的写操作。虽然顺序锁的读和写操作可以同时进行，但是如果在读的过程中发生了写操作，最好重新进行读取，保证数据完整性。顺序锁保护的资源不能是指针，因为如果在写操作的时候可能会导致指针无效，而这个时候恰巧有读操作访问指针的话就可能导致意外发生，比如读取野指针导致系统崩溃。

Linux 内核使用 seqlock_t 结构体（定义在include/linux/seqlock.h）表示顺序锁，结构体定义如下：

关于顺序锁的API函数（定义在include/linux/seqlock.h）：

函数	描述
DEFINE_SEQLOCK(seqlock_t sl)	定义并初始化顺序锁
void seqlock_ini seqlock_t *sl)	初始化顺序锁
顺序表写操作
void write_seqlock(seqlock_t *sl)	获取写顺序锁
void write_sequnlock(seqlock_t *sl)	释放写顺序锁
void write_seqlock_irq(seqlock_t *sl)	禁止本地中断，并且获取写顺序锁
void write_sequnlock_irq(seqlock_t *sl)	打开本地中断，并且释放写顺序锁
void write_seqlock_irqsave(seqlock_t *sl, unsigned long flags)	保存中断状态，禁止本地中断，并获取写顺序锁
void write_sequnlock_irqrestore(seqlock_t *sl, unsigned long flags)	将中断状态恢复到以前的状态，并且激活本地中断，释放写顺序锁
顺序表读操作
unsigned read_seqbegin(const seqlock_t *sl)	读单元访问共享资源的时候调用此函数，此函数会返回顺序锁的顺序号
unsigned read_seqretry(const seqlock_t *sl, unsigned start)	读结束以后调用此函数检查在读的过程中有没有对资源进行写操作，如果有的话就要重读

4、自旋锁使用注意事项

因为在等待自旋锁的时候处于“自旋”状态，因此锁的持有时间不能太长，一定要短，否则的话会降低系统性能。如果临界区比较大，运行时间比较长的话要选择其他的并发处理方式，比如稍后要讲的信号量和互斥体。
自旋锁保护的临界区内不能调用任何可能导致线程休眠的 API 函数，否则的话可能导致死锁。
不能递归申请自旋锁，因为一旦通过递归的方式申请一个你正在持有的锁，那么你就必须 “自旋”，等待锁被释放，然而你正处于“自旋”状态，根本没法释放锁。所以就死锁。
在编写驱动程序的时候我们必须考虑到驱动的可移植性，因此不管你用的是单核的还是多核的 SOC，都将其当做多核 SOC 来编写驱动程序。

四、信号量

1、简介

这里的信号量与FreeRTOS或者UCOS的信号量一样，常常用于控制对共享资源的访问。比如停车位举例：有10个停车位，信号量为10，当有一辆车进来停车，停车位减一，相当于一个线程读取数据一次，信号量减1。当停车位停满了，信号量减为零，就不能再停下一辆车，线程不能再读取数据，只能等别的车离开，才能停车，相当于线程读取数据完成后，信号量加一。此时，又可以停车。

相比于自旋锁，信号量可以时线程进入休眠状态，比如说：A现在再厕所上厕所，这个时候B也想上厕所，但是看到厕所现在A在使用，B就无法使用，B可以一直在厕所等待，就相当于自旋锁。或者B可以先离开去干其他的事，等A上完厕所后再通知B让B去上厕所，就相当于信号量线程可以进入休眠状态。

信号量特点：

因为信号量可以使等待资源线程进入休眠状态，因此适用于那些占用资源比较久的场
信号量不能用于中断中，因为信号量会引起休眠，中断不能休眠。
如果共享资源的持有时间比较短，那就不适合使用信号量了，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那点优势。
当信号量的值设置为1时，为二值信号量，可以互斥访问。当信号量的值大于1时，为计数型信号量，不可以互斥访问。

2、信号量API函数

Linux 内核使用 semaphore 结构体（定义在include/linux/semaphore.h）表示信号量：

使用信号量之前先定义和初始化信号量结构体，再使用信号量API函数（定义在include/linux/semaphore.h）：

函数	描述
DEFINE_SEAMPHORE(name)	定义一个信号量，并且设置信号量的值为 1
void sema_init(struct semaphore *sem, int val)	初始化信号量 sem，设置信号量值为 val
void down(struct semaphore *sem)	获取信号量，因为会导致休眠，因此不能在中断中使用
int down_trylock(struct semaphore *sem)	尝试获取信号量，如果能获取到信号量就获取，并且返回 0。如果不能就返回非 0，并且不会进入休眠
int down_interruptible(struct semaphore *sem)	获取信号量，和 down 类似，只是使用 down 进入休眠状态的线程不能被信号打断。而使用此函数进入休眠以后是可以被信号打断的。
void up(struct semaphore *sem)	释放信号量

四、互斥体

1、简介

将信号量的值设置为 1 就可以使用信号量进行互斥访问了，虽然可以通过信号量实现互斥，但是 Linux 提供了一个比信号量更专业的机制来进行互斥，它就是互斥体—mutex。
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。Linux内核使用mutex结构体（定义在include/linux/mutex.h）表示互斥体：

注意事项：

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
和信号量一样， mutex 保护的临界区可以调用引起阻塞的 API 函数
因为一次只有一个线程可以持有 mutex，因此，必须由 mutex 的持有者释放 mutex。并且 mutex 不能递归上锁和解锁

2、互斥体API函数

函数	描述
DEFINE_MUTEX(name)	定义并初始化一个 mutex 变量
void mutex_init(mutex *lock)	初始化 mutex
void mutex_lock(struct mutex *lock)	获取 mutex，也就是给 mutex 上锁。如果获取不到就进休眠
void mutex_unlock(struct mutex *lock)	释放 mutex，也就给 mutex 解锁
int mutex_trylock(struct mutex *lock)	尝试获取 mutex，如果成功就返回 1，如果失败就返回 0
int mutex_is_locked(struct mutex *lock)	判断 mutex 是否被获取，如果是的话就返回1，否则返回 0
int mutex_lock_interruptible(struct mutex *lock)	使用此函数获取信号量失败进入休眠以后可以被信号打断