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上章回顾上章回顾字符驱动程序开发的基本结构主设备号和次设备号，以及如何分配和释放设备号cdev结构file_operations结构file结构inode结构如何把驱动添加到内核中？应用程序如何使用驱动？并发和竞态控制并发和竞态控制并发和竞态控制并发和竞态控制第3章预习检查预习检查防止竟态的机制有哪些？Semaphore,spinlock,completion,原子操作 等原子操作的意义是什么？操作的不可分割性本章目标本章目标掌握信号量、completion、自旋锁和原子操作等并发控制机制了解如何避免死锁 本章结构本章结构中断屏蔽中断屏蔽 并发和竞态控制并发和竞态控制 信号量和互斥体信号量和互斥体 completion 自旋锁自旋锁 避免死锁规则避免死锁规则原子操作原子操作 seqlockRCU(Read-Copy-Update)并发和竟态并发和竟态3-1 并发和竞态并发和竞态什么是并发？什么是并发？多个执行单元同时、并行被执行。竞态(race conditions)并发的执行单元对共享资源的访问则很容易导致。共享资源:硬件资源，软件上的全局变量、静态变量等Linux内核中，什么情况会发生竞态？内核中，什么情况会发生竞态？对称多处理器(SMP)的多个CPU单CPU内进程与抢占它的进程 中断(硬中断、软中断、Tasklet、底半部)与进程之间 3-1 并发和竞态并发和竞态如何解决竞态问题？如何解决竞态问题？保证对共享资源的互斥访问互斥访问，指一个执行单元在访问共享资源的时候，其他的执行单元被禁止访问。Linux设备驱动中可采用的互斥途径中断屏蔽原子操作自旋锁信号量completion 3-2 中断屏蔽中断屏蔽 中断屏蔽：中断屏蔽：可解决中断与进程之间的并发；也可解决内核抢占进程之间的并发主要函数主要函数 local_irq_disable()/禁止中断local_irq_enable()/打开中断local_irq_save(flags)/禁止中断并保存中断寄存器信息到flagslocal_irq_restore(flags)/打开中断，并恢复flags里的值到中断寄存器local_bh_disable()/仅禁止中断底半部中断local_bh_enable()/打开注意：注意：不要长时间屏蔽中断，由于Linux系统的异步I/O、进程调度等很多重要操作都依赖于中断，在屏蔽中断期间所有的中断都无法得到处理，因此长时间屏蔽中断是很危险的，有可能造成数据丢失甚至系统崩溃。local_irq_disable()/屏蔽中断critical section/临界区local_irq_enable()/打开中断3-3 信号量和互斥体信号量和互斥体 信号量（信号量（semaphore）信号量本质上是一个整数值，一对操作函数通常称为P和V。进入临界区相关信号量上调用P；如果信号量零，则该值会减小一，而进程可以继续。如果信号量的值=零(或更小)，进程必须等待直到其他人释放该信号量。退出临界区信号量的解锁通过调用V完成；该函数增加信号量的值，并在必要时唤醒等待的进程。3-3 信号量和互斥体信号量和互斥体 当信号量用于互斥避免多个进程同时在一个临界区中运行信号量的值应初始化为1。只能由单个进程或线程拥有。一个信号量有时也称为一个“互斥体(mutex)”，它是互斥(mutual exclusion)的简称。Linux内核中几乎所有的信号量均用于互斥。103-3 信号量和互斥体信号量和互斥体 初始化初始化信号量信号量信号量类型为struct semaphore；信号量可通过几种途径来声明和初始化：动态的初始化信号量动态的初始化信号量静态的声明互斥信号量：静态的声明互斥信号量：动态的初始化互斥信号量：动态的初始化互斥信号量：void sema_init(struct semaphore*sem，int val);信号量的初始值DECLARE_MUTEX(name);DECLARE_MUTEX_LOCKED(name);声明互斥信号量“name”，并初始化为1void init_MUTEX(struct semaphore*sem);void init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore*sem);3-3 信号量和互斥体信号量和互斥体 获得信号量获得信号量释放信号量释放信号量 void down(struct semaphore*sem)；int down_interruptible(struct semaphore*sem)；int down_trylock(struct semaphore*sem)；减小信号量的值，如果不能获得信号量就一直等待完成和down相同的工作，但操作是可中断的永远不会休眠，如果信号量在调用时不可获得，就会立即返回一个非零值。void up(struct semaphore*sem)；3-3 信号量和互斥体信号量和互斥体 使用信号量模板使用信号量模板DECLARE_MUTEX(sem)；if(down_interruptible(&sem)return ERESTARTSYS;critical sectionup(&sem);定义信号量获取信号量，保护临界区临界区释放信号量3-3 信号量和互斥体信号量和互斥体 读取者读取者/写入者信号量写入者信号量数据类型：数据类型：struct rw_semaphore；初始化：初始化：主要函数：主要函数：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);3-3 信号量和互斥体信号量和互斥体 读取者读取者/写入者信号量实例写入者信号量实例rw_semaphore_t rw_sem;init_rwsem(&rw_sem);/读时获取信号量down_read(&rw_sem);/临界资源up_read(&rw_sem);down_write(&rw_sem);/临界资源up_write(&rw_sem);定义读写信号量初始化读写信号量获取临界资源获取临界资源临界区临界区释放临界资源释放临界资源3-4 completion 一种轻量级的机制它允许一个线程告诉另一线程某个工作已经完成。初始化初始化等待等待completion DECLARE_COMPLETION(xxx_completion)；struct completion xxx_completion；init_completion(&xxx_completion)；void wait_for_completion(struct completion*c)；3-4 completion触发完成触发完成 void complete(struct completion*c)；void complete_all(struct completion*c)；必须在重复使用该结构之前重新初始化它。必须在重复使用该结构之前重新初始化它。下面这个宏可用来快速执行重新初始化：下面这个宏可用来快速执行重新初始化：INIT_COMPLETION(struct completion c)；173-4 completion Completion使用示例使用示例DECLARE_COMPLETION(xxx_comp)；ssize_t complete_read(struct file*filp，char _user*buf，size_t count,loff_t*pos)wait_for_completion(&xxx_comp)；return 0;ssize_t complete_write(struct file*filp，const char _user*buf，size_t count，loff_t*pos)complete(&xxx_comp)；return count；定义并初始化定义并初始化completion等待某个事件完成等待某个事件完成表示某个事件完成表示某个事件完成3-5 自旋锁自旋锁概念概念一个自旋锁是一个互斥设备，只有两个值：“锁定”和“解锁”。实现为某个整数值中的单个位。希望获得某特定锁的代码测试相关的位。锁可用，则“锁定”位被设置，而代码继续进入临界区如果锁被其他人获得，则代码进入忙循环并重复检查这个锁，直到该锁可用为止。这个循环就是自旋锁的“自旋”初始化自旋锁初始化自旋锁spinlock_t xxx_lock=SPIN_LOCK_UNLOCKED；void spin_lock_init(spinlock_t*lock)；3-5 自旋锁自旋锁锁定函数锁定函数释放自旋锁释放自旋锁 void spin_unlock(spinlock_t*lock)；void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t*lock，unsigned long flags)；void spin_unlock_irq(spinlock_t*lock)；void spin_unlock_bh(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)；203-5 自旋锁自旋锁自旋锁使用实例自旋锁使用实例spinlock_t lock;spin_lock_init(&lock);spin_lock(&lock);critical sectionspin_unlock(&lock);定义一个自旋锁初始化自旋锁初始化自旋锁获取自旋锁，保护临界区临界区释放自旋锁3-5 自旋锁自旋锁读写自旋锁读写自旋锁任意数量的读取者可以同时进入临界区任意数量的读取者可以同时进入临界区写入者必须互斥访问写入者必须互斥访问变量类型变量类型:rwlock_t初始化#include rwlock_t xxx_rwlock=RW_LOCK_UNLOCKED；rwlock_t xxx_rwlock；rwlock_init(&xxx_rwlock)；3-5 自旋锁自旋锁读取者获得锁读取者释放锁 void read_lock(rwlock_t*lock)；void read_lock_irqsave(rwlock_t*lock，unsigned long flags)；void read_lock_irq(rwlock_t*lock)；void read_lock_bh(rwlock_t*lock)；void read unlock(rwlock_t*lock)；void read_unlock_irqrestore(rwlock_t*lock，unsigned long flags)；void read_unlock_irq(rwlock_t*lock)；void read_unlock_bh(rwlock_t*lock)；233-5 自旋锁自旋锁写入者获得锁写入者获得锁写入者释放锁写入者释放锁 void write_lock(rwlock_t*lock)；void write_lock_irqsave(rwlock_t*lock，unsigned long flags)；void write_lock_irq(rwlock_t*lock)；void write_lock_bh(rwlock_t*lock)；int write_trylock(rwlock_t*lock)；void write_unlock(rwlock_t*lock)；void write_unlock_irqrestore(rwlock_t*lock，unsigned long flags)；void write_unlock_irq(rwlock_t*lock)；void write_unlock_bh(rwlock_t*lock)；3-5 自旋锁自旋锁读写自旋锁实例读写自旋锁实例unsigned long flags;rwlock_t rwlock;rwlock_init(&rwlock);read_lock(&rwlock);/临界资源read_unlock(&rwlock);/写时获取锁write_lock_irqsave(&rwlock，flags);/临界资源write_unlock_irqrestore(&rwlock，flags);定义rwlock初始化rwlock获取锁临界区临界区释放所释放所3-5 自旋锁自旋锁自旋锁自旋锁 VS信号量信号量开销成本使用信号量的开销是进程上下文切换时间自旋锁的开销是忙等待获取自旋锁等待机制不同信号量可能导致阻塞，所以在不允许阻塞的代码中不能用可能引起阻塞的信号量处理方式自旋锁是忙等待比如，中断处理程序3-6 避免死锁规则避免死锁规则自旋锁的使用规则自旋锁的使用规则任何拥有自旋锁的代码都必须是原子的；任何拥有自旋锁的代码都必须是原子的；如果中断处理函数中也要获得自选锁，那么驱动程序需要在拥有自旋锁时禁止中如果中断处理函数中也要获得自选锁，那么驱动程序需要在拥有自旋锁时禁止中断；断；自旋锁必须在可能的最短时间内拥有自旋锁必须在可能的最短时间内拥有；3-6 避免死锁规则避免死锁规则 其他规则其他规则避免某个获得锁的函数调用其他同样试图获取这个锁的函数，否则避免某个获得锁的函数调用其他同样试图获取这个锁的函数，否则代码就会死锁；代码就会死锁；不论是信号量还是自旋锁，都不允许锁拥有者第二次获得这个锁，不论是信号量还是自旋锁，都不允许锁拥有者第二次获得这个锁，如果试图这么做，系统将挂起；如果试图这么做，系统将挂起；283-6 避免死锁规则避免死锁规则 锁的顺序规则锁的顺序规则 按同样的顺序获得锁如果必须获得一个局部锁和一个属于内核更中心位置的锁，则应该首先获取自己的局部锁 如果我们拥有信号量和自旋锁的组合，则必须首先获得信号量；在拥有自旋锁时调用down(可导致休眠)是个严重的错误的 293-7 原子操作原子操作 整型原子操作整型原子操作类型类型:atomic_t 设置原子变量的值设置原子变量的值获取原子变量的值获取原子变量的值原子变量加原子变量加/减减原子变量自增原子变量自增/自减自减void atomic_set(atomic_t*v，int i)；atomic_t v=ATOMIC_INIT(0)；int atomic_read(atomic_t*v)；void atomic_add(int i，atomic_t*v)；void atomic_sub(int i，atomic_t*v)；void atomic_inc(atomic_t*v)；void atomic_dec(atomic_t*v)；3-7 原子操作原子操作 操作并测试操作并测试操作并返回操作并返回int atomic_inc_and_test(atomic_t*v)；int atomic_dec_and_test(atomic_t*v)；int atomic_sub_and_test(int i，atomic_t*v)；int atomic_add_return(int i，atomic_t*v)；int atomic_sub_return(int i，atomic_t*v)；int atomic_inc_return(atomic_t*v)；int atomic_dec_return(atomic_t*v)；313-7 原子操作原子操作 位原子操作位原子操作void set_bit(nr,void*addr);void clear_bit(nr,void*addr);void change_bit(nr,void*addr);void test_bit(nr,void*addr);int test_and_set_bit(nr,void*addr);int test_and_clear_bit(nr,void*addr);int test_and_change_bit(nr,void*addr);设置第设置第nr个个bit的值的值1.检测，并返回先前的值检测，并返回先前的值2.进行对应的操作进行对应的操作清除第清除第nr个个bit的值的值改变第改变第nr个个bit的值的值检测第检测第nrbit是否被设置是否被设置阶段总结阶段总结处理并发的方法：信号量、自旋锁、completion、中断屏蔽和seqlock等信号量和自旋锁区别如何避免死锁原子操作本章总结本章总结中断屏蔽中断屏蔽 并发和竞态控制并发和竞态控制 信号量和互斥体信号量和互斥体 completion 自旋锁自旋锁 避免死锁规则避免死锁规则原子操作原子操作 seqlockRCU(Read-Copy-Update)实验实验任务一、不加任务一、不加Semaphore的多进程写试验的多进程写试验任务二、加任务二、加Semaphore的多进程写试验的多进程写试验