Android驱动并发与竞争

下面介绍

• 原子操作（atomic_t）
• 自旋锁（spinlock_t）
• 信号量（semaphore）
• 互斥体（mutex）

Android 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，就和共享单车一样。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。

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。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。

解决办法：

• 原子操作 --> 一般用于变量或者位操作的临界区保护。
• 自旋锁 -->不会睡眠的锁，可用于中断，一般用于短时期的轻量级加锁。
• 信号量 -->可以使线程休眠，不能用于中断，可以提高处理器使用效率。
• 互斥体 -->

信号量用在同一线程内，比如操作设备时候读或者写或者打开操作的时候，都要加一个信号量保护，这些操作都在同一线程内顺序执行；completion机制则应用于不同线程之间的同步。

相比于自旋锁，信号量可以使线程进入休眠状态，比如 A 与 B、 C 合租了一套房子，这个房子只有一个厕所，一次只能一个人使用。某一天早上 A 去上厕所了，过了一会 B 也想用厕所，因为 A 在厕所里面，所以 B 只能等到 A 用来了才能进去。 B 要么就一直在厕所门口等着，等 A 出来，这个时候就相当于自旋锁。 B 也可以告诉 A，让 A 出来以后通知他一下，然后 B 继续回房间睡觉，这个时候相当于信号量。可以看出，使用信号量会提高处理器的使用效率，毕竟不用一直傻乎乎的在那里“自旋”等待。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。

在 FreeRTOS 和 UCOS 中也有互斥体，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。

原子操作（atomic_t）

175 typedef struct {
176 int counter;
177 } atomic_t;

atomic_t a; //定义 a

atomic_t b = ATOMIC_INIT(0); //定义原子变量 b 并赋初值为 0

API:

ATOMIC_INIT(int i) 定义原子变量的时候对其初始化。
int atomic_read(atomic_t *v) 读取 v 的值，并且返回。
void atomic_set(atomic_t *v, int i) 向 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) 从 v 减去 i 值。
void atomic_inc(atomic_t *v) 给 v 加 1，也就是自增。
void atomic_dec(atomic_t *v) 从 v 减 1，也就是自减
int atomic_dec_return(atomic_t *v) 从 v 减 1，并且返回 v 的值。
int atomic_inc_return(atomic_t *v) 给 v 加 1，并且返回 v 的值。
int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v) 从 v 减 i，如果结果为 0 就返回真，否则返回假
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v) 从 v 减 1，如果结果为 0 就返回真，否则返回假
int atomic_inc_and_test(atomic_t *v) 给 v 加 1，如果结果为 0 就返回真，否则返回假
int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v) 给 v 加 i，如果结果为负就返回真，否则返回假

void set_bit(int nr, void *p) 将 p 地址的第 nr 位置 1。
void clear_bit(int nr,void *p) 将 p 地址的第 nr 位清零。
void change_bit(int nr, void *p) 将 p 地址的第 nr 位进行翻转。
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) 将 p 地址的第 nr 位置 1，并且返回 nr 位原来的值。
int test_and_clear_bit(int nr, void *p) 将 p 地址的第 nr 位清零，并且返回 nr 位原来的值。
int test_and_change_bit(int nr, void *p) 将 p 地址的第 nr 位翻转，并且返回 nr 位原来的值。

典型使用方法：

示例代码 47.2.2.2 原子变量和 API 函数使用
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 */

自旋锁（spinlock_t）

内核当发生访问资源冲突的时候，可以有两种锁的原则选择：

• 一个是原地等待。
• 一个是挂起当前进程，调度其他进程执行（睡眠）。

Spinlock 是内核中提供的一种比较常见的锁机制，自旋锁是“原地等待”的方式解决资源冲突的，即，一个线程获取了一个自旋锁后，另外一个线程期望获取该自旋锁，获取不到，只能够原地“打转”（忙等待）。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。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。

注意事项： 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。

自旋锁的使用：

在linux kernel的实现中，经常会遇到这样的场景： 共享数据被中断上下文和进程上下文访问，该如何保护呢？如果只有进程上下文的访问，那么可以考虑使用semaphore或者mutex的锁机制，但是现在中断上下文也参和进来，那些可以导致睡眠的lock就不能使用了，这时候，可以考虑使用spin lock。

这里为什么把中断上下文标红加粗呢？因为在中断上下文，是不允许睡眠的（原因详见文章《Linux 中断之中断处理浅析》中的第四章），所以，这里需要的是一个不会导致睡眠的锁——spinlock。

换言之，中断上下文要用锁，首选 spinlock。

使用自旋锁，有两种方式定义一个锁：
动态的：

spinlock_t lock;
spin_lock_init (&lock);

静态的：

DEFINE_SPINLOCK(lock);

spin_lock 的时候，禁止内核抢占

如果涉及到中断上下文的访问，spin lock需要和禁止本 CPU 上的中断联合使用（spin_lock_irqsave / spin_unlock_irqstore）

spin_lock_init(&ql_spidev->dev_lock);                   //初始化自旋锁lock
spin_lock_irqsave(&ql_spidev->dev_lock, flags);         //保存本地中断状态、关闭本地中断、获取自旋锁
spin_unlock_irqrestore(&ql_spidev->dev_lock, flags);    //释放锁、恢复本地中断到之前的状态等工作

spinlock_t lock; //定义自旋锁

DEFINE_SPINLOCK(spinlock_t lock) 定义并初始化一个自选变量。
int spin_lock_init(spinlock_t *lock) 初始化自旋锁。
void spin_lock(spinlock_t *lock) 获取指定的自旋锁，也叫做加锁。
void spin_unlock(spinlock_t *lock) 释放指定的自旋锁。
int spin_trylock(spinlock_t *lock) 尝试获取指定的自旋锁，如果没有获取到就返回 0
int spin_is_locked(spinlock_t *lock)
检查指定的自旋锁是否被获取，如果没有被获取就返回非 0，否则返回 0

void spin_lock_irq(spinlock_t *lock) 禁止本地中断，并获取自旋锁。
void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock) 激活本地中断，并释放自旋锁。
void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags)
保存中断状态，禁止本地中断，并获取自旋锁。
void spin_unlock_irqrestore(spinlock_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，释放自旋锁

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，示例代码如下所示：
典型使用方法：

示例代码 47.3.2.1 自旋锁使用示例
1 DEFINE_SPINLOCK(lock) /* 定义并初始化一个锁 */
2 
3 /* 线程 A */
4 void functionA (){
5 unsigned long flags; /* 中断状态 */
6 spin_lock_irqsave(&lock, flags) /* 获取锁 */
7 /* 临界区 */
8 spin_unlock_irqrestore(&lock, flags) /* 释放锁 */
9 }
10
11 /* 中断服务函数 */
12 void irq() {
13 spin_lock(&lock) /* 获取锁 */
14 /* 临界区 */
15 spin_unlock(&lock) /* 释放锁 */
16 }

信号量（semaphore）

总结一下信号量的特点：

• 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合。
• 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。
• 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。

信号量有一个信号量值，相当于一个房子有 10 把钥匙，这 10 把钥匙就相当于信号量值为10。因此，可以通过信号量来控制访问共享资源的访问数量，如果要想进房间，那就要先获取一把钥匙，信号量值减 1，直到 10 把钥匙都被拿走，信号量值为 0，这个时候就不允许任何人进入房间了，因为没钥匙了。

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

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

典型使用方法：

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（mutex）

在 FreeRTOS 和 UCOS 中也有互斥体，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。

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

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。

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：

• 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。

示例代码 47.5.2.1 互斥体使用示例
1 struct mutex lock; /* 定义一个互斥体 */
2 mutex_init(&lock); /* 初始化互斥体 */
3 
4 mutex_lock(&lock); /* 上锁 */
5 /* 临界区 */
6 mutex_unlock(&lock); /* 解锁 */