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Linux设备驱动开发基础之互斥与同步基础

Linux设备驱动开发基础之互斥与同步基础

一些概念

  1. 竟态：多个执行路径对同一资源进行操作时可能引发的资源混乱行为（①）。执行路径为并发源。
  2. 临界区：对共享资源的访问代码片段。临界区只能是在一个进程内部而无法跨进程，因为其不是一个对象，我们无法定义一个临界区对象来告知其他进程，而像Mutex和SpinLock都可以。参考这篇文章。
  3. 中断和抢占：一般都是在中断需要返回前会调用重新调度函数，如果没有禁止抢占，那么就会被高优先级的进程抢占。有的地方可以被中断但是进程必须不被抢占，那么只需要禁止抢占就行了。例如spin_lock是可以被中断的，但是不能被抢占,因为被其他进程抢占后会造成死锁。当然因为中断中也可能要去获得这个锁而造成死锁，这个就是spin_lock_irq的来由。

原子操作与原子变量

  • 原子操作：每一步都是不可分割的。
  • 原子变量：对此变量的操作（增加或者减小）是原子操作。

单核处理器+抢占 与 多核处理器在许多发面有类似的特性。

并发的来源

  1. 中断
  2. 调度器的可抢占性
  3. 多核、多处理器的并发执行

中断

一般对于本地CPU（就是此刻运行这个代码的CPU或者CPU核），控制其中断使用的函数是：

  • local_irq_enable
  • local_irq_disable

调度器的可抢占性

调度器的控制函数：

  • preempt_disable
  • preempt_enable

多核、多处理器的并发执行

以上是并发的来源，而下面的方法都是对并发的处理和控制，因此都是全局的。

自旋锁=禁止抢占+原子设置V变量

特征

  1. 对于spin_lock用得比较多的是对全局变量访问时的保护
  2. spin_lock是全局的
  3. 普通的自旋锁(没有disable_IRQ)有可能会死锁

自旋锁和信号量的区别

是否会引发睡眠

自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环 查看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，“自旋”就是“在原地打转”。而信号量则引起调 用者睡眠，它把进程从运行队列上拖出去，除非获得锁。

spin_lock，禁止抢占，并且用一个变量来指明资源是否真正被使用。

是否会造成死锁

spin_lock因为没有禁止中断，所以有可能出现死锁

在A进程用自旋锁锁住并使用资源B，处于临界区中，接着被中断，而中断中又去尝试使用资源B，这将造成死锁

spin_lock的组成和原理

spin 结构体中里面有个变量，这个变量在spin_lock中被原子改变。因此其他地方再去spin_lock的时候会发现这个变量已经改变，表明锁已经被使用了，此时将在这里自旋等待。

spin_lock_irq(Save)变体

  1. spin_lock_irq

    spin_lock_irq(Save)=spin_lock + disableIRQ

    而普通的spin_lock为

    spin_lock=原子设置V + preempt_disable

    这个使得就解决了上面因为中断而造成的死锁的可能性。 2. spin_lock_bh

    disable softIRQ

    1. 非阻塞版本

      spin_trylock：try

      spin_lock_irq使用注意
      1. 任何拥有自旋锁的代码都必须是原子的，不能休眠：例如kmalloc中有GFP_KERNEL掩码时，将有可能造成休眠
      2. 在中断中如果要使用自旋锁应该使用spin_lock_irq。

      信号量

      特点

      允许调用它的进程进入睡眠放入到wait_list中，见下面的结构体成员。

      原理

      /* Please don't access any members of this structure directly */
struct semaphore {

      spinlock_t lock; unsigned int count; struct list_head wait_list; }; 1. lock：一个自旋锁用于对count变量的原子更改。 1. count：记录资源数目。 1. wait_list：将无法获取信号量的进程放入队列中。

      操作

      1. DOWN:
      2. count--
      3. UP:

      count++;唤醒在wait_list中的等待进程

      UP/DOWN的变体

      1. down：等待的进程无法被（Ctrl+D）中断,将阻塞在down中。
      2. down_interruptible：等待的进程可以被中断，需要检查返回值以确定究竟是什么原因导致的返回。
      3. down_trylock：如果无法获取信号量则直接返回而不是进入休眠。
      4. up函数只有一个。

      互斥锁

      构成

      struct mutex {

      / 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters / atomic_t count; spinlock_t wait_lock; struct list_head wait_list; #if defined(CONFIG_DEBUG_MUTEXES) || defined(CONFIG_SMP) struct task_struct owner; #endif #ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES const char name; void *magic; #endif #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC struct lockdep_map dep_map; #endif }; 精简一下就是：

    struct mutex { / 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters / atomic_t count; spinlock_t wait_lock; struct list_head wait_list; }; 与上面的semophore相比，就是count的类型从unsigned int编程了atomic_t,且用1表示没有被锁，0表示锁了。而semophore里面的count则是用来表示可以获取资源的数目。互斥锁就是用来表示一个进程可以获取资源的。

    操作

    与semophore一致有UP和DOWN。

免锁机制RCU：

RCU = preempt_disable + 每次写都分配一个新空间

免锁的代价：规则约定

必须在临界区读。

RCU实现机制

  • 写：先重新分配的一个地方，得到一个指针New，然后写进去，接着将这个new指针替换掉指向老数据的老指针Old。这样子完成了数据的刷新。当然指针的替换是原子操作的。最后还需要注册一个回调函数，使得所有对old指针的引用都完成后，用于释放以前分区的空间。
  • 释放旧空间：如果只有一个访问，那么读取者的临界区的出口其实就是这个回调函数调用的时机，因为读取者能且仅能在临界区引用指针，但是一个系统很可能有多个CPU运行多个线程去读取和引用old指针，所以当所有的CPU的发生过一次调度后（就是绝对不可能在临界区，因为临界区关闭了调度），就可以认为是对老指针引用的完毕。
  • 读：构建一个临界区，并在且只在临界区内使用指针访问数据。构建临界区的原因是防止在使用指针访问的时候数据被写。

参考

①来源于深入Linux设备驱动程序内核机制

②Why don't critical sections work cross process?

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