【linux】驱动-12-并发与竞态
时间：2021-06-21 19:57:37
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前言
内核驱动的并发&竟态很容易理解，其解决方法也不能，看看例程就可以了。
对于API，看看内核源码和内核文档即可。
原文链接：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/14907262.html
12. 并发&竞态
本章内容为驱动基石之一。
驱动只提供功能，不提供策略。
12.1 并发&竞态概念
并发：
- 指多个单元同时、并行执行。
- 但是并发执行的单元对共享资源的访问容易产生竞态。
- 单核的并发可以参考 MCU RTOS 多任务原理。看似并行，实质串行。不过也存在竞态。
并发产生原因（大概）：
- 多线程并发访问。
- 抢占式并发访问。（linux2.6及高版本的内核为抢占式内核）
- 中断程序并发访问。
- 多核（SMP）核间并发访问。
竞态：
- 指并发的执行单元对共享资源的访问。
- 竞态产生的条件：
- 存在共享资源。
- 对共享资源进行竞争访问。
12.2 竞态解决方法
需要解决竞态是因为要保护数据。
确保每个时刻都只有一个执行单元访问共享资源。
竞态解决方法有：
- 原子操作。
- 自旋锁操作。
- 信号量操作。
- 互斥体操作。
12.3 原子
参考文档：
- Documentation\atomic_t.txt
- Documentation\atomic_bitops.txt
12.3.1 原子介绍
都知道，在 C 的世界里，a = 10; 这样一个简单的赋值，到了汇编的世界就不止一条语句啦。若此时多线程往变量 a 的地址赋值，就可能会产生数据错误。
原子操作就是不可分割操作。
注意：原子操作只能对 整型变量 和 位操作 具有保护功能。
12.3.2 原子操作步骤
原子操作：
- 定义原子变量&设置初始值。
- 设置原子变量的值。
- 获取原子变量的值。
- 原子变量的 加/减。
- 原子变量的 自加/自减。
- 原子变量的 加/减 及返回值。
- 原子变量测试函数。
12.3.3 原子 API
由于函数容易理解，所以就不像以前的笔记一样详细列出。
整型原子的操作需要个 atomic_t 结构体。
bit原子的操作只需要一个地址即可，是直接对内存操作。
atomic_t 32bit 整型原子变量结构体：
//atomic_t类型结构体
typedef struct
{
int counter;
}atomic_t;
atomic64_t 64bit 整型原子变量结构体：
//atomic64_t 类型结构体
typedef struct
{
long long counter;
}atomic64_t;
整型原子 API 汇总：
| API | 描述 |
|---|---|
| ATOMIC_INIT(int i) | 定义原子变量时候的初始值 |
| void atomic_set(atomic_t *v, int i) | 向 v 写入 i |
| void atomic_read(atomic_t *v) | 读取 v 的值 |
| void atomic_add(int i, atomic_t *v) | v 加 i |
| void atomic_sub(int i, atomic_t *v) | v 减 i |
| void atomic_inc(atomic_t *v) | v 加 1 |
| void atomic_dec(atomic_t *v) | v 减 1 |
| int atomic_add_return(int i, atomic_t *v) | v 加 i ，返回 v 的结果 |
| int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v) | v 减 i ，返回 v 的结果 |
| int atomic_inc_return(int i, atomic_t *v) | v 加 1 ，返回 v 的结果 |
| int atomic_dec_return(int i, atomic_t *v) | v 减 1 ，返回 v 的结果 |
| int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v) | v 减 i 后是否为 0 |
| int atomic_inc_and_test(atomic_t *v) | v 加 1 后是否为 0 |
| int atomic_dec_and_test(atomic_t *v) | v 减 1 后是否为 0 |
| int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v) | v 加 i 后是否为 负数 |
更多 API（如atomic_dec_unless_positive()、atomic_inc_unless_negative()） 请参考内核源码和推荐的文档。
bit原子的操作不需要 atomic_t 结构体，它是直接对 内存 操作的。
bit 原子 API 汇总：
| API | 描述 |
|---|---|
| void set_bit(int nr, void *p) | 对地址 p 的第 nr 位置 1 |
| void clear_bit(int nr, void *p) | 对地址 p 的第 nr 位置 0 |
| void change_bit(int nr, void *p) | 对地址 p 的第 nr 位翻转 |
| int test_bit(int nr, void *p) | 返回地址 p 的第 nr 位的值 |
| void test_and_set_bit(int nr, void *p) | 对地址 p 的第 nr 位置 1，并返回原来的 nr 位值 |
| void test_and_clear_bit(int nr, void *p) | 对地址 p 的第 nr 位置 0，并返回原来的 nr 位值 |
| void test_and_change_bit(int nr, void *p) | 对地址 p 的第 nr 位翻转，并返回原来的 nr 位值 |
12.4 自旋锁
12.4.1 自旋锁介绍
原子操作只能对整型变量或者bit进行保护。而自旋锁能对一个单元进行保护，是给代码段添加一把锁。
自旋锁是实现互斥访问的常用手段。
获取自旋锁后再运行代码才能被保护起来。
自旋锁特点：
- 当使用自旋锁获取锁失败时（即需要访问的代码段被锁住了），线程不休眠，做死循环检测锁状态，直至自旋锁被释放。
- 简单，不休眠，可在中断中使用。
- 使用不当会导致死锁。如：
- 递归获取锁：第一次获取锁成功，在自旋锁保护的代码段内进行获取锁，那便永远等不到解锁，导致死锁。
自旋锁缺点：
- 死循环检测，占用系统资源。
- 递归获取锁后会导致死锁。
- 同一线程不能连续两次获取自旋锁，必须一获取一释放。
- 自旋锁在锁定期间不能调用引起进程调度的函数，否则可能导致系统崩溃。
12.4.2 自旋锁操作步骤
自旋锁操作：
- 定义自旋锁。
- 初始化自旋锁。
- 获取自旋锁。
- 释放自旋锁。
自旋锁使用注意事项：
- 锁的持有时间要短。因为自旋锁是不会休眠的，以免其它线程获取锁等待太久，降低系统性能。
- 自旋锁保护的临界区内不能调用引起线程休眠的 API 函数，否则可能引起死锁。
- 不能递归获取自旋锁，否则会导致死锁。
- 按多核思想编程。提高系统可移植性。
12.4.3 自旋锁 API
spinlock_t 结构体：
typedef struct
{
struct lock_impl internal_lock;
}spinlock_t;
自旋锁 API 汇总：
| API | 描述 |
|---|---|
| DEFINE_SPINLOCK(spinlock_t lock) | 定义、初始化一个自选变量 |
| void spin_lock_init(spinlock_t *lock) | 初始化一个自旋锁 |
| void spin_lock(spinlock_t *lock) | 加锁，即是获取一个自旋锁 |
| int spin_trylock(spinlock_t *lock) | 尝试获取自旋锁，不等待，成功返回 true，失败返回 false |
| void spin_unlock(spinlock_t *lock) | 释放自旋锁 |
| int spin_is_locked(spinlock_t *lock) | 检查指定自旋锁是否已经被获取。若没有，则返回非0；否则返回 0 |
| void spin_lock_irq(spinlock_t *lock) | 获取自旋锁并关中断（防止中断打断） |
| void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock) | 释放自旋锁并开中断 |
| spin_lock_irqsave(lock, flags) | 获取自旋锁，并保存中断状态到flags。锁返回时，之前开的中断，之后也是开的；之前关，之后也是关 |
| spin_unlock_irqrestore(lock, flags) | 释放自旋锁，并恢复中断状态，即是把 flags 值赋值给中断状态寄存器。 |
12.4.4 读写自旋锁
普通的自旋锁是一刀切的，不管访问者对临界区的操作是读还是写。
但是实际上，很多共享资源都允许多个执行单元同时读，这是不影响数据的。
所以，读写自旋锁 允许 读并发，但是不允许 写并发，且不允许读写同时出现。
即有允许以下情景：
- 多读。
- 一写。
读写自旋锁 结构体：
typedef struct
{
arch_rwlock_t raw_lock;
}rwlock_t;
读写自旋锁 API：
- 定义&初始化：
| API | 描述 |
|---|---|
| DEFINE_RWLOCK(rwlock_t lock) | 定义、初始化一个自选变量 |
| void rwlock_init(rwlock_t *lock) | 初始化一个自旋锁 |
- 读锁 API：
| API | 描述 |
|---|---|
| void read_lock(rwlock_t *lock) | 加锁，即是获取一个读自旋锁 |
| void read_unlock(rwlock_t *lock) | 释放读自旋锁 |
| void read_lock_irq(rwlock_t *lock) | 禁止本地中断，且加锁，即是获取一个读自旋锁 |
| void read_unlock_irq(rwlock_t *lock) | 打开本地中断，释放读自旋锁 |
| void read_lock_irqsave(rwlock_t *lock, unsigned long flags) | 保存本地中断状态，禁止本地中断，且加锁，即是获取一个读自旋锁 |
| void read_unlock_irqrestore(rwlock_t *lock, unsigned long flags) | 回复本地中断状态，且激活本地中断，释放读自旋锁 |
| void read_lock_bh(rwlock_t *lock) | 关闭下半部，加锁，即是获取一个读自旋锁 |
| void read_unlock_bh(rwlock_t *lock) | 打开下半部，释放读自旋锁 |
- 写锁：
- 把前面读锁的前缀 read_ 改为 write_，即可。
12.4.5 顺序锁
顺序锁 是 读写锁 的一个优化。
读写锁 不允许读和写同时出现。有以下前景：
- 多读。
- 一写。
顺序锁 允许读和写同时出现，但是只能出现一个写。有以下前景：
- 多读。
- 一写。
- 多读一写。
顺序自旋锁 结构体：
typedef struct
{
struct seqcount seqcount;
spinlock_t lock;
}seqlock_t;
顺序自旋锁 API：
- 定义&初始化：
| API | 描述 |
|---|---|
| DEFINE_SEQLOCK(seqlock_t sl) | 定义、初始化一个自选变量 |
| void seqlock_init(seqlock_t *sl) | 初始化一个自旋锁 |
- 读锁 API：
- 需要注意的是，写操作的顺序锁，会对顺序号加1-2。若 read_seqretry() 检测到顺序号不一致，则请重新读去数据。
| API | 描述 |
|---|---|
| unsigned read_seqbegin(const seqlock_t *sl) | 加锁，并返回获取到的顺序锁的顺序号 |
| unsigned read_seqretry(const seqlock_t *sl) | 读结束后调用该函数。用于检查在读的过程中是否有对资源进行写操作，若有，则返回1，建议重新读去数据。 |
- 写锁 API：
| API | 描述 |
|---|---|
| void write_seqlock(seqlock_t *sl) | 加锁，即是获取一个读自旋锁 |
| void write_sequnlock(seqlock_t *sl) | 释放读自旋锁 |
| void write_seqlock_irq(seqlock_t *sl) | 禁止本地中断，且加锁，即是获取一个读自旋锁 |
| void write_sequnlock_irq(seqlock_t *sl) | 打开本地中断，释放读自旋锁 |
| void write_seqlock_irqsave(seqlock_t *sl, unsigned long flags) | 保存本地中断状态，禁止本地中断，且加锁，即是获取一个读自旋锁 |
| void write_sequnlock_irqrestore(seqlock_t *sl, unsigned long flags) | 回复本地中断状态，且激活本地中断，释放读自旋锁 |
| void write_seqlock_bh(seqlock_t *sl) | 关闭下半部，加锁，即是获取一个读自旋锁 |
| void write_sequnlock_bh(seqlock_t *sl) | 打开下半部，释放读自旋锁 |
12.5 信号量
12.5.1 信号量概念
学过 RTOS 的都知道信号量了。可以看做一个全局计数器。
信号量常用于同步和互斥。
信号量的获取失败后，线程可引入休眠，当信号量可用时，系统会通知其退出休眠。
12.5.2 信号量操作
信号量操作：
- 定义信号量。
- 初始化信号量。
- 尝试获取信号量。
- 获取信号量。
- 释放信号量。
信号量使用注意事项：
- 适用于占用资源较长时间的情景。因为信号量可以引起休眠，占用系统资源少。若占用资源时间少的，建议使用 自旋锁 ，因为不用切换线程，系统开销小。
- 不能用于中断。同样是因为信号量可以引起休眠。不过可以使用 down_interruptible() 函数。
- 保护的临界区内可调用引起阻塞的 API。
12.5.3 信号量 API
semaphore 结构体：
struct semaphore
{
raw_spinlock_t lock;
unsigned int count;
struct list_head wait_list;
};
| API | 描述 |
|---|---|
| DEFINE_SEMAPHORE(name) | 定义一个信号量，并置为 1 |
| void sema_init(struct semaphore *sem, int val) | 初始化信号量，并置为 val |
| void down(struct semaphore *sem) | 获取信号量。因为信号量会导致休眠，且不能被信号打断，因此不能在中断中使用该函数 |
| int down_trylock(struct semaphore *sem) | 尝试获取信号量，不休眠。成功返回 0，失败返回 非0 |
| void down_interruptible(struct semaphore *sem) | 获取信号量。就算导致休眠后，也能被信号打断，因此该函数可以在中断中使用 |
| void up(struct semaphore *sem) | 释放信号量 |
12.6 互斥体
12.6.1 互斥体概念
互斥体 的占用其实和 信号量量值为 1 的效果是一样的。
但是互斥体的执行效率更高，毕竟，专业的API做专业的事嘛。
12.6.2 互斥体操作
互斥体执行操作：
- 定义互斥体。
- 初始化互斥体。
- 尝试获取互斥体。
- 获取互斥体。
- 释放互斥体。
互斥体使用注意事项：
- 不能在中断中使用。因为 mutex 会导致休眠。除非使用函数 int mutex_lock_interruptible。
- 必须由 mutex 持有者释放。因为一次只有一条线程持有。
- 保护的临界区内可调用引起阻塞的 API。
12.6.3 互斥体 API
| API | 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) | 加锁，获取 mutex |
| void mutex_unlock(struct mutex *lock) | 释放 mutex |
| int mutex_trylock(struct mutex *lock) | 尝试获取 mutex。成功返回 1，失败返回 0 |
| int mutex_is_locked(struct mutex *lock) | 判断 mutex 是否被上锁了。是返回 1，否返回 0 |
| void mutex_lock_interruptible(struct mutex *lock) | 加锁，获取 mutex。获取失败进入休眠后，依然能被信号打断。支持在中断中使用。 |
12.7 完成量
12.7.1 完成量概念
完成量（completion）。
完成量用于一个执行单元等待另一个执行单元。
12.7.2 完成量操作
完成量操作：
- 定义完成量。
- 初始化完成量。
- 等待完成量。
- 唤醒完成量。
12.7.3 完成量 API
完成量结构体：
struct completion {
unsigned int done;
wait_queue_head_t wait;
};
| API | 描述 |
|---|---|
| void complete(struct completion *x) | 唤醒一个等待完成量 x 的线程 |
| void complete_all(struct completion *x) | 唤醒所有等待完成量 x 的线程 |
| void wait_for_completion(struct completion *x) | 等待一个完成量 x |
| unsigned long wait_for_completion_timeout(struct completion *x, unsigned long timeout) | 限时等待一个完成量 x |
| void init_completion(struct completion *c) | 初始化一个完成量 |
| void reinit_completion(struct completion *c) | 重新初始化一个完成量 |
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