使用Linux互斥体实现互斥点灯

1. 互斥体介绍

互斥访问是指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。使用互斥体时要注意如下几点：

• mutex可导致休眠，因此不能在中断中使用
• mutex保护的临界区可调用引起阻塞的API函数
• 必须由mutex的持有者释放mutex，且不能递归上锁和解锁

Linux 内核使用mutex结构体表示互斥体，结构体定义如下所示：

struct mutex {
    /* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */
    atomic_t count;
    spinlock_t wait_lock;
};

互斥体操作相关API函数如下图示：

2. 互斥体实例

本实例中使用互斥体来实现对LED设备的互斥访问，即一次只允许一个应用程序使用LED灯，代码是在pinctrl与gpio子系统下的字符设备驱动框架一文基础上完成的

2.1 修改设备树文件

设备树文件修改与pinctrl与gpio子系统下的字符设备驱动框架文中的修改方法一样，不需要做任何修改

2.2 编写驱动程序

拷贝pinctrl与gpio子系统下的字符设备驱动框架文中的gpioled.c驱动文件，并重命名为mutex.c，对部分代码进行修改，其余保持不变

在设备结构体中，添加互斥体

struct gpioled_dev{
    dev_t devid;              //设备号
    struct cdev cdev;         //cdev字符设备
    struct class *class;      //类
    struct device *device;    //设备
    int major;                //主设备号
    int minor;                //次设备号
    struct device_node *nd;   //设备节点
    int led_gpio;             //所使用的gpio编号
    struct mutex lock;        //互斥体
};

struct gpioled_dev gpioled;   //定义led设备

打开设备时，获取互斥体

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp){
    filp->private_data = &gpioled; //设置私有数据

    if(mutex_lock_interruptible(&gpioled.lock)){
        return -ERESTARTSYS;       //进入休眠后可被信号打断
    } 
#if 0
    mutex_lock(&gpioled.lock);     //休眠后不能被信号打断
#endif
    return 0;
}

关闭设备时，释放互斥锁

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp){
    struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
    mutex_unlock(&dev->lock); //释放互斥锁
    return 0;
}

驱动入口函数中，对互斥体进行初始化

static int __init led_init(void){
    int ret = 0;
    /* 初始化互斥体 */
    mutex_init(&gpioled.lock);  
    /* 设置 LED 所使用的 GPIO */
    /* 1、获取设备节点：gpioled */
    gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
    ......
    ......
}

2.3 编写测试程序

拷贝pinctrl与gpio子系统下的字符设备驱动框架文中的gpioledApp.c测试程序，并重命名为mutexApp.c，添加模拟占用LED的代码，使测试程序在获取LED驱动使用权后会持续一段时间，添加如下代码

while(1){
    sleep(5);
    cnt++;
    printf("App running times: %d\\r\\n",cnt);
    if(cnt >= 5)
        break;
}

2.4 编译测试

编译驱动程序：当前目录下创建Makefile文件，并使用make命令编译

KERNELDIR := /home/andyxi/linux/kernel/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_andyxi
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := mutex.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

编译测试程序：无需内核参与，直接编译即可

arm-linux-gnueabihf-gcc mutexApp.c -o mutexApp

运行测试：启动开发板后，加载驱动模块，操作LED灯后，相应时间内再次操作LED时，第二个应用程序会进入休眠，等前面的应用程序运行完后，第二个应用程序会接着运行

depmod                       #第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe mutex.ko            #加载驱动
# 打开LED后，每隔5秒会输出一行App running times
./mutexApp /dev/gpioled 1&   # &表示在后台运行APP

#在LED被占用期间，再次操作LED，会因为获取互斥体失败而进入休眠状态，
#等前一条命令运行完并释放互斥锁后才能获取LED使用权
./mutexApp /dev/gpioled 0