Linux内核处理并发和竞争的几种方法

Linux是一个多任务操作系统，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。

并发就是多个“用户”同时访问同一个共享资源，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，Linux 是多任务(线程)的系统，所以多线程访问是最基本的原因。

抢占式并发访问，从 2.6 版本内核开始，Linux 内核支持抢占，也就是说调度程序可以在任意时刻抢占正在运行的线程，从而运行其他的线程。

中断程序并发访问，这个无需多说，学过 STM32 的同学应该知道，硬件中断的权利可是很大的。

SMP(多核)核间并发访问，现在 ARM 架构的多核 SOC 很常见，多核 CPU 存在核间并发访问。

并发访问带来的问题就是竞争，在编写驱动的时候要适当处理。并发和竞争往往不容易查找，导致驱动调试难度加大、费时费力。并发和竞争保护的不是代码，而是数据！某个线程的局部变量不需要保护，我们要保护的是多个线程都会访问的共享数据。    

解决并发和竞争有不同的处理方式，这里主要讲：原子操作、自旋锁、信号量、互斥体。

 原子操作

原子操作就是指不能再进一步分割的操作，一般原子操作用于变量或者位操作。简单理解就是在汇编指令下是一条指令，这样就可以避免在多线程的时候被干扰导致异常。

原子整形操作 API 函数    

Linux 内核定义了叫做 atomic_t 的结构体来完成整形数据的原子操作，在使用中用原子变量来代替整形变量，此结构体定义在 include/linux/types.h 文件中，定义如下：

typedef struct {
    int counter;
} atomic_t;

// 简单使用
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0); /* 定义并初始化原子变零 v=0 */
atomic_set(&v, 10); /* 设置 v=10 */
atomic_read(&v); /* 读取 v 的值，肯定是 10 */
atomic_inc(&v); /* v 的值加 1，v=11 */

 

常用API：

 

  位操作也是很常用的操作，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：

   

 自旋锁

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怎么可能只有整形变量或位这么简单的临界区。这就引出锁机制，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。  

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。所以自旋锁适用于短时期的轻量级加锁，如果遇到需要长时间持有锁的场景那就需要换其他的方法了。

Linux 内核使用结构体 spinlock_t 表示自旋锁，结构体定义如下所示：  

typedef struct spinlock {
    union {
        struct raw_spinlock rlock;

#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
#define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))
       struct {
            u8 __padding[LOCK_PADSIZE];
            struct lockdep_map dep_map;
        };
#endif
    };
} spinlock_t;

  在使用自旋锁之前，肯定要先定义一个自旋锁变量，定义方法如下所示：  

spinlock_t lock; //定义自旋锁

  定义好自旋锁变量以后就可以使用相应的 API 函数来操作自旋锁。  

自旋锁 API 函数  

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，就容易发生死锁！

最好的解决方法就是获取锁之前关闭本地中断，Linux 内核提供了相应的 API 函数：  

使用 spin_lock_irq/spin_unlock_irq 的时候需要用户能够确定加锁之前的中断状态，但实际上内核很庞大，运行也是“千变万化”，我们是很难确定某个时刻的中断状态，因此不推荐使用spin_lock_irq/spin_unlock_irq。建议使用 spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore，因为这一组函数会保存中断状态，在释放锁的时候会恢复中断状态。一般在线程中使用 spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore，在中断中使用 spin_lock/spin_unlock：

下半部里面使用自旋锁，可以使用的 API 函数：

   
 信号量

Linux 内核也提供了信号量机制，信号量常常用于控制对共享资源的访问。相比于自旋锁，信号量可以使线程进入休眠状态，使用信号量会提高处理器的使用效率，但是信号量的开销要比自旋锁大，因为信号量使线程进入休眠状态以后会切换线程，切换线程就会有开销。    
信号量的特点：  

①、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合。

②、因此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。

③、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。

信号量 API 函数

  Linux 内核使用 semaphore 结构体表示信号量，结构体内容如下所示：  

struct semaphore {
    raw_spinlock_t lock;
    unsigned int count;
    struct list_head wait_list;
};

要想使用信号量就得先定义，然后初始化信号量。有关信号量的 API 函数：  

 

信号量的使用：

 

// 简单使用
struct semaphore sem; /* 定义信号量 */
sema_init(&sem, 1); /* 初始化信号量 */
down(&sem); /* 申请信号量 */
/* 临界区 */
up(&sem); /* 释放信号量 */

 互斥体  

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。在我们编写 Linux 驱动的时候遇到需要互斥访问的地方建议使用 mutex。Linux 内核使用 mutex 结构体表示互斥体：  

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

   

在使用 mutex 之前要先定义一个 mutex 变量。在使用 mutex 的时候要注意如下几点：
①、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。

②、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。

③、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。

互斥体 API 函数  

 

互斥体的使用如下：

struct mutex lock; /* 定义一个互斥体 */
mutex_init(&lock); /* 初始化互斥体 */

mutex_lock(&lock); /* 上锁 */
/* 临界区 */
mutex_unlock(&lock); /* 解锁 */

  Linux 内核还有很多其他的处理并发和竞争的机制，常用的方法有原子操作、自旋锁、信号量和互斥体。

 

　　审核编辑：汤梓红