【Linux 驱动】第五章 并发和竞态

一，概念

并发（concurrency）指的是多个执行单元同时被执行

竞态（race condition）并发的执行单元对共享资源（硬件资源和软件上的全局变量、静态变量等）的访问导致竞态

例子:两个进程试图向同一个设备的相同位置写入数据，造成数据混乱

解决：加锁或互斥 从而确保 同一时间 只有一个进程执行操作

二，规则

在设计自己的驱动程序时，第一个要记住的规则是，只要可能，就应该避免资源的共享。如果没有并发的访问，也就不会有竞态的产生。因此，仔细编写的内核代码应具有最少的共享。这种思想的最明显应用就是避免使用全局变量。

但是资源的共享是不可避免的，如硬件资源的本质就是共享、指针传递等。

三，资源共享的硬规则：

（1）在单个执行线程之外共享硬件或软件资源的任何时候，因为另外一个线程可能产生对该资源的不一致观察，因此必须显示地管理对该资源的访问。

（2）当内核代码创建了一个可能和其他内核部分共享的对象时，该对象必须在其他组件引用自己时保持存在（并正确工作）

四，信号量和互斥体

一个信号量（semaphore: 旗语，信号灯）本质上是一个整数值，它和一对函数联合使用，这一对函数通常称为P和V。希望进入临届区的进程将在相关信号量上调用P；如果信号量的值大于零，则该值会减小一，而进程可以继续。相反，如果信号量的值为零（或更小），进程必须等待知道其他人释放该信号。对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。
当信号量用于互斥时（即避免多个进程同是在一个临界区运行），信号量的值应初始化为1。这种信号量在任何给定时刻只能由单个进程或线程拥有。在这种使用模式下，一个信号量有事也称为一个“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。
五，使用信号量
1）信号量的实现也是与体系结构相关的，定义在<asm/semaphore.h>中，struct semaphore类型用来表示信号量

2）信号量的使用

1>定义信号量：

struct semaphore sem;

2>信号量初始化：void sema_init(struct semaphore *sem, int val);//val是初始值

3>由于信号量通常被用于互斥模式。所以以下是内核提供的一组辅助函数和宏：
/*方法一、声明+初始化宏*/
DECLARE_MUTEX(name); //name=1
DECLARE_MUTEX_LOCKED(name);//name=0
/*方法二、初始化函数*/
void init_MUTEX(struct semaphore *sem);
void init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *sem);

【说明】带有“_LOCKED”的是将信号量初始化为0，即锁定，允许任何线程访问时必须先解锁。没带的为1
4>P函数(当线程执行下面函数时候，该线程就拥有该资源)
void down(struct semaphore *sem); //不推荐使用，会建立不可杀进程
int down_interruptible(struct semaphore *sem);//推荐使用，使用（可以中断）
int down_trylock(struct semaphore *sem);/*带有“_trylock”的永不休眠，若信号量在调用是不可获得，会返回非零值。*/

【说明】down_interruptible需要格外小心，若操作被中断，该函数会返回非零值，而调用这不会拥有该信号量。对down_interruptible的正确使用需要始终检查返回值，并做出相应的响应

5>V函数为：
void up(struct semaphore *sem);

任何拿到信号量的线程都必须通过一次（只有一次）对up的调用而释放该信号量。在出错时，要特别小心；若在拥有一个信号量时发生错误，必须在将错误状态返回前释放信号量。


五，在scull中使用信号量 （scull 区域装载的简单字符工具）

1）要使用的scull_dev结构

struct scull_dev {
struct scull_qset *data; /* 指向第一个scull_qset结构体 */
int quantum; /* 量子大小，量子也是指针，指向的内存区域大小即为quantum */
int qset; /* 量子集大小(指针数组元素个数)，量子集即指针数组，其元素即量子 */
unsigned long size; /* 数据总量，动态量，使用时由写入数据总量决定 */
unsigned int access_key; /* used by sculluid and scullpriv */
struct semaphore sem; /* 互斥信号量 */
struct cdev cdev; /* 字符设备结构 */
};

2）信号量在使用前必须初始化

for (i = 0; i scull_nr_devs; i++)

{
scull_devices.quantum = scull_quantum;
scull_devices.qset = scull_qset;
init_MUTEX(&scull_devices.sem);/* 注意顺序：先初始化好互斥信号量 ，再使scull_devices可用。*/
scull_setup_cdev(&scull_devices, i);
}


而且要确保在不拥有信号量的时候不会访问scull_dev结构体。
六，

读取者/写入者信号量

信号量对所有的调用者互斥，而不管每个线程到底想做什么。

允许多个并发的读取者是可能的，Linux内核为这种情形提供了一种特殊的信号量类型，称为“rwsem”（或者reader/write semaphore，读取者/写入者信号量）。使用rwsem的代码必须包含<linux/rwsem.h>，rwsem相关的数据类型是struct rw_semaphore。

初始化：void init_rwsem(struct rw_semaphore *sem);


只读接口：
void down_read(struct rw_semaphore *sem);
int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem);//成功时候返回0
void up_read(struct rw_semaphore *sem);
写入接口：
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);/*该函数用于把写者降级为读者，这有时是必要的。因为写者是排他性的，因此在写者保持读写信号量期间，任何读者或写者都将无法访问该读写信号量保护的共享资源，对于那些当前条件下不需要写访问的写者，降级为读者将，使得等待访问的读者能够立刻访问，从而增加了并发性，提高了效率。*/


一个 rwsem 允许一个写者或无限多个读者来拥有该信号量. 写者有优先权; 当某个写者试图进入临界区, 就不会允许读者进入直到写者完成了它的工作. 如果有大量的写者竞争该信号量，则这个实现可能导致读者“饿死”，即可能会长期拒绝读者访问。因此, rwsem 最好用在很少请求写的时候, 并且写者只占用短时间.
七，completion
completion是一种轻量级的机制，它允许一个线程告诉另一个线程某个工作已经完成。代码必须包含。使用的代码如下：

Linux内核提供了一种更好的同步机制，即完成量（completion），完成量允许一个线程告诉另一个线程某个工作已经完成，其声明在<linux/completion.h>中。

1、创建和初始化completion

DECLARE_COMPLETION(my_completion);  // 定义+初始化

动态创建和初始化完成量

struct completion my_completion;
void init_completion(&my_completion);

2、等待完成量

void wait_for_completion(struct completion *);

执行一个非中断的等待，如果调用了wait_for_completion且没有人会完成该任务，则会产生一个不可杀的进程。

3、唤醒完成量

void complete(struct completion *); //唤醒一个等待进程
void complete_all(struct completion *); // 唤醒所有等待进程

一个completion通常是个单次（one-shot）设备，它只会被使用一次，然后被丢弃。如果没有使用completion_all，则我们可以重复使用一个completion结构，但是，如果使用了completion_all，则必须在重复使用该结构体前重新初始化它。

下面这个宏用来快速执行重新初始化：

INIT_COMPLETION(struct completion c)；

八，自旋锁（spinlock）

防止多处理器并发而引入的一种锁，它在内核中大量应用于中断处理等部分

一个自旋锁是一个互斥设备，它只有两个值：“锁定”和“解锁”。它通常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。如果锁可用，则“锁定”位被设置，而代码继续进入临界区。相反，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”部分。

自旋锁和互斥锁区别

互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。

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，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，"自旋"一词就是因此而得名。


适用于自旋锁的核心规则是：

1>任何拥有自旋锁的代码都必须是原子的。它不能休眠，事实上，它不能因为任何原因放弃处理器，除了服务中断以外（某些情况下也不能放弃CPU，如果在中断服务例程中，也需要该自旋锁，则会发生“死锁”，因此，在拥有自旋锁时会禁止本地CPU的中断）。任何时候，只要内核代码拥有自旋锁，在相关处理器上的抢占就会被禁止。当我们编写在自旋锁下执行的代码时，必须注意每一个所调用的函数，他们不能休眠。

2>自旋锁必须在可能的最短时间内拥有。拥有自旋锁的时间越长，其他处理器不得不自旋的时间就越长，而它不得不自旋的可能性就越大。


自旋锁API
要使用自旋锁原语，需要包含头文件<linux/spinlock.h>。
spinlock_t my_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;/* 编译时初始化spinlock*/
void spin_lock_init(spinlock_t *lock);/* 运行时初始化spinlock*/

/* 所有spinlock等待本质上是不可中断的，一旦调用spin_lock，在获得锁之前一直处于自旋状态*/
void spin_lock(spinlock_t *lock);/* 获得spinlock*/
void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags);// 获得spinlock，禁止本地cpu中断，保存中断标志于flags
void spin_lock_irq(spinlock_t *lock);/* 获得spinlock,禁止本地cpu中断*/
void spin_lock_bh(spinlock_t *lock)/* 获得spinlock,禁止软件中断，保持硬件中断打开*/

/* 以下是对应的锁释放函数*/
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);

/* 以下非阻塞自旋锁函数，成功获得，返回非零值；否则返回零*/
int spin_trylock(spinlock_t *lock);
int spin_trylock_bh(spinlock_t *lock);

新内核的<linux/spinlock.h>包含了更多函数


读取者/写入者自旋锁
允许任意数量的读取者进入临界区，但写入者必须互斥访问。读取者/写入者具有rwlock_t类型，在<linux/spinkock.h>中定义。

读取者/写入者自旋锁API

rwlock_t my_rwlock = RW_LOCK_UNLOCKED;/* 编译时初始化*/

rwlock_t my_rwlock;

rwlock_init(&my_rwlock); /* 运行时初始化*/

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); /* 新内核已经有了read_trylock */

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); /*新内核的<linux/spinlock.h>包含了更多函数*/


在Linux使用读-写自旋锁时，这种锁机制照顾照顾读比写要多一点。当读锁被持有时，写操作为了互斥访问只能等待，但是读者可以继续成功占有锁。而自旋等待的写者在所有读者释放锁之前是无法获得锁的。所以，大量读者必然使挂起的写者处于饥饿状态。

如果加锁时间不长且代码不会睡眠（比如中断处理程序），利用自旋锁是最佳选择。如果加锁时间可能很长或者代码在持有锁时有可能睡眠，那么最好使用信号量来完成加锁功能。

九，陷阱锁

锁定模式的设置必须在一开始就要设置好，否则其后的改进会非常困难。
信号量和自旋锁是不可递归的。在scull中，我们的设计规则是：由系统调用直接调用的那些函数均要获得信号量，以便保护要访问的设备结构。而其他的内部函数，只会由其他的scull函数调用，则假定信号量已被正确获取。
锁的顺序规则
必须获取多个锁时，应该始终以相同的顺序获得。
有帮助的两个规则是：
1、 如果必须要获得一个局部锁（比如一个设备锁），以及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。
2、 如果我们拥有自旋锁和信号量的组合，则必须首先获得信号量。

细粒度和粗粒度的对比

设备驱动程序中的锁通常相对直接，可以用单个锁来处理所有的事情，或者可以为每个设备建立一个锁。作为通常规则，我们应该在最初使用粗粒度的锁。

除了锁之外的办法

在某些情况下，原子的访问不需要完整的锁。


免锁算法

经常用于免锁的生产者/消费者任务的数据结构之一是循环缓冲区（circular buffer）。循环缓冲区的使用在设备驱动程序中相当普遍。特别是网络适配器，经常使用循环冲区和处理器交换数据。在Linux内核中，有一个通用的循环缓冲区实现，有关其使用可参阅<linux/kfifo.h>。

原子变量

有时，共享的资源可能恰好是一个简单的整数，完整的锁机制对一个简单的整数来讲显得有些浪费。针对这种情况，内核提供了一种原子的整数类型，称为atomic_t，定义在<ams/atomic.h>中。


一个atomic_t变量在所有内核支持的架构上保存了一个int值。但是，由于某些处理器上这种数据类型的工作方式有些限制，因此不能使用完整的整数范围，也就是说，在atomic_t变量中不能记录大于24位的整数。原子操作速度非常快，因为只要可能，它们就会被编译成单个机器指令。


原子变量操作函数：


void atomic_set(atomic_t *v, int i); /*设置原子变量 v 为整数值 i.*/
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0); /*编译时使用宏定义 ATOMIC_INIT 初始化原子值.*/

int atomic_read(atomic_t *v); /*返回 v 的当前值.*/

void atomic_add(int i, atomic_t *v);/*由 v 指向的原子变量加 i. 返回值是 void*/
void atomic_sub(int i, atomic_t *v); /*从 *v 减去 i.*/

void atomic_inc(atomic_t *v);
void atomic_dec(atomic_t *v); /*递增或递减一个原子变量.*/

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);
/*进行一个特定的操作并且测试结果; 如果, 在操作后, 原子值是 0, 那么返回值是真; 否则, 它是假. 注意没有 atomic_add_and_test.*/

int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v);
/*加整数变量 i 到 v. 如果结果是负值返回值是真, 否则为假.*/

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);
/*像 atomic_add 和其类似函数, 除了它们返回原子变量的新值给调用者.*/

atomic_t类型数据必须只能通过上面的函数来访问。如果将原子变量传递给了需要整型参数的函数，则会遇到编译错误。只有原子变量的数目是原子的，atomic_t变量才能正常工作，需要多个atomic_t变量的操作，仍然需要某种类型的锁。



原子位操作


为了实现位操作，内核提供了一组可原子地修改和测试单个位的函数。


原子位操作非常快，只要底层硬件允许，这种操作就可以使用单个机器指令来执行，并且不需要禁止中断。这些函数依赖于具体的架构，因此在<asm/bitops.h>中声明。即使是在SMP计算机上，这些函数也可确保为原子的，因此，能提供跨处理器的一致性。


这些函数使用的数据类型也是依赖于具体架构的。nr参数（用来描述要操作的位）通常被定义为int，但在少数架构上被定义为unsigned long。要修改的地址通常是指向unsigned long指针，但在某些架构上却使用void *来代替。


可用的位操作如下：


void set_bit(nr, void *addr); /*设置第 nr 位在 addr 指向的数据项中。*/

void clear_bit(nr, void *addr); /*清除指定位在 addr 处的无符号长型数据.*/

void change_bit(nr, void *addr);/*翻转nr位.*/

test_bit(nr, void *addr); /*这个函数是唯一一个不需要是原子的位操作; 它简单地返回这个位的当前值.*/

/*以下原子操作如同前面列出的, 除了它们还返回这个位以前的值.*/

int test_and_set_bit(nr, void *addr);

int test_and_clear_bit(nr, void *addr);

int test_and_change_bit(nr, void *addr);



十，seqlock

2.6内核包含了一对新机制打算来提供快速地，无锁地存取一个共享资源。seqlock要保护的资源小，简单，并且常常被存取，并且很少写存取但是必须要快。seqlock 通常不能用在保护包含指针的数据结构。seqlock 定义在<linux/seqlock.h> 。


/*两种初始化方法*/
seqlock_t lock1 = SEQLOCK_UNLOCKED;
seqlock_t lock2;
seqlock_init(&lock2);

这个类型的锁常常用在保护某种简单计算,读存取通过在进入临界区入口获取一个(无符号的)整数序列来工作。在退出时, 那个序列值与当前值比较; 如果不匹配, 读存取必须重试。读者代码形式:

unsigned int seq;

do {

seq = read_seqbegin(&the_lock);

/* Do what you need to do */

} while read_seqretry(&the_lock, seq);



如果你的 seqlock可能从一个中断处理里存取,你应当使用IRQ安全的版本来代替:


unsigned int read_seqbegin_irqsave(seqlock_t *lock, unsigned long flags);
int read_seqretry_irqrestore(seqlock_t *lock, unsigned int seq, unsigned long flags);

写者必须获取一个排他锁来进入由一个seqlock保护的临界区，写锁由一个自旋锁实现，调用:


void write_seqlock(seqlock_t *lock);

void write_sequnlock(seqlock_t *lock);

因为自旋锁用来控制写存取, 所有通常的变体都可用:


void write_seqlock_irqsave(seqlock_t *lock, unsigned long flags);
void write_seqlock_irq(seqlock_t *lock);
void write_seqlock_bh(seqlock_t *lock);

void write_sequnlock_irqrestore(seqlock_t *lock, unsigned long flags);
void write_sequnlock_irq(seqlock_t *lock);
void write_sequnlock_bh(seqlock_t *lock);

还有一个write_tryseqlock在它能够获得锁时返回非零。

读取-复制-更新

读取-拷贝-更新(RCU) 是一个高级的互斥方法, 在合适的情况下能够有高效率。它在驱动中的使用很少。使用RCU的代码须包含<linux/rcupdate.h>。