并发控制——“锁”

 

 

多个执行单元同时、并行被执行时，而并发的执行单元对共享资源（硬件资源和软件资源上的全局变量、静态变量等）的访问则很容易导致竞态。访问共享资源的代码区成为临界区，临界区需要以某种互斥机制加以保护。中断屏蔽、原子操作、自旋锁和信号量等是linux设备驱动中可采用的互斥途径。 

中断屏蔽:可以保证正在执行的内核执行路径不被中断处理程序所抢占。

使用方法:

local_irq_disable()//屏蔽中断

....

critical section//临界区

....

local_irq_enable()//开启中断 

 

 

我们来看下local_irq_disable()的宏定义:（见include/linux/Irqflags.h）：

 

#define local_irq_disable() / 62 do { raw_local_irq_disable(); trace_hardirqs_off(); } while (0)

 

 local_irq_disable()的作用是关闭中断，可以从宏中看出，local_irq_disable()调用raw_local_irq_disable()函数,而后者最终调用native_irq_disable()。

 

 

static inline void raw_local_irq_disable(void) 75{ 76 native_irq_disable(); 77} 78 79static inline void raw_local_irq_enable(void) 80{ 81 native_irq_enable(); 82} 83 84/* 85 * Used in the idle loop; sti takes one instruction cycle 86 * to complete: 87 */

以native_irq_disable()为例，native_irq_enable同理：（见arch/x86/include/asm/irqflags.h）

static inline void native_irq_disable(void) 38{ 39 asm volatile("cli": : :"memory");

 

 

 温馨提示：汇编语言中，CLI是清除中断标志位，STI是设置中断标志位。“asm”表示后面的代码为内嵌汇编,“volatile”表示编译器不要优化代码，后面的指令保留原样。__asm__(汇编语句模板: 输出部分: 输入部分: 破坏描述部分)，memory表示在内存中进行操作 。

 

void trace_hardirqs_off(void) 529{ 530 if (!preempt_trace() && irq_trace()) 531 start_critical_timing(CALLER_ADDR0, CALLER_ADDR1); 532} 533EXPORT_SYMBOL(trace_hardirqs_off);

local_irq_disable()与local_irq_save(flags)除了进行禁止中断的操作以外，还保存目前CPU的中断位信息，local_irq_restore(flags)进行的是与local_irq_save(flags)相反的操作。仅想禁止中断底部，应使用local_bh_disable(),使能被local_bh_disable禁止的底半步调用local_bh_enable()。

 

信号量 ：用于保护临界区的一种常用方法，它的使用方式和自旋锁类似。与自旋锁相同，只有得到信号量的进程才能执行临界区代码。但是与自旋锁不同的是，进程不会原地打转而是进入休眠状态。两者区别详见http://blog.youkuaiyun.com/mia_go/archive/2010/10/24/5961878.aspx。

内核对信号量 semaphore的描述：

struct semaphore { 17 spinlock_t lock; 18 unsigned int count; 19 struct list_head wait_list; 20};

等待队列wait_list定义为list_head类型，双向链表。spinlock_t是如何定义？见linux/include/linux/spinlock_types.h。

typedef struct spinlock { 65 union { 66 struct raw_spinlock rlock; 67 68#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC 69# define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map)) 70 struct { 71 u8 __padding[LOCK_PADSIZE]; 72 struct lockdep_map dep_map; 73 }; 74#endif 75 }; 76} spinlock_t;  

信号量使用如下：

    1.定义一个名为sem的信号量： struct semaphore sem;

    2.初始化信号量：void sema_init (struct semaphore  *sem,int val); //该函数初始化信号量，并设置信号量sem的值为val。尽管信号量可以被初始化为大于1的值从而成为一个计数信号量，但是它通常不被这样使用。

       void init_MUTEX(struct semaphore *sem); //该函数用于初始化一个用于互斥的信号量，它把信号量sem的值设置成1或0，等同于sema_init(struct semaphore *sem，1或0)。 

     此外，两个宏定义并初始化信号量的“快捷方式”。

       DECLEAR_MUTEX(name)  //定义一个名为name的信号量并初始化为1

       DECLEAR_MUTEX_LOCKED(name)  //定义一个名为name的信号量并初始化为0

     3.获得信号量：

        void down(struct semaphore *sem); //该函数获得sem会导致失眠，因此不能再中断上下文使用。类似的，int down_interruptible(struct semaphore *sem)/int down_trylock(struct semaphore *sem)，这里不再作解释。

     4.释放信号量：

       void up(struct semaphore *sem); //释放信号量sem，唤醒等待者。

信号量一般使用如下：

      DECLEAR_MUTEX(mount_sem); //定义信号量

      down(&mount_sem); //获取信号量，保护临界区

      ... ...

      critical section //临界区

       ... ...

      up(&mount_sem); //释放信号量       

具体看过来：      

 void down(struct semaphore *sem) 54{ 55 unsigned long flags; 56 57 spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags); 58 if (likely(sem->count > 0)) 59 sem->count--; 60 else 61 __down(sem); 62 spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags); 63} 64EXPORT_SYMBOL(down); 65

对于down()进一步到底层来看：

static inline void down(struct semaphore * sem) 106{ 107 might_sleep(); 108 __asm__ __volatile__(/*在多个CPU平台下使用lock前缀，锁住内存总线。*/ 109 "# atomic down operation/n/t" 110 LOCK "decl %0/n/t" /* --sem->count */ /*如果sem->count>=0就跳转到107处*/ 111 "js 2f/n" 112 "1:/n" 113 LOCK_SECTION_START("") 114 "2:/tlea %0,%%eax/n/t" 115 "call __down_failed/n/t" 116 "jmp 1b/n" 117 LOCK_SECTION_END 118 :"=m" (sem->count) 119 : 120 :"memory","ax"); 121}

在这个函数中，%0 对应于sem->count，如果sem->count 减1 后，结果不小于0，则说明down 操作成功完成。否则调用__down_failed，它最终将调用__down()把当前进程设置为等待状态，并把当前进程加入到该信号量的等待队列，调度其他进程来运行。当某个进程释放相应的资源时调用up()。

回过头来继续spin_lock_irqsave：

  454#ifdef CONFIG_SMP 455#define spin_lock_irqsave(lock, flags) flags = _spin_lock_irqsave(lock) 459#define spin_lock_irqsave(lock, flags) _spin_lock_irqsave(lock, flags)

 #define _spin_lock_irqsave(lock, flags) / 296do { / 297 local_irq_save(flags); / 298 preempt_disable(); / 299 _raw_spin_lock(lock); / 300 __acquire(lock); / 301} while (0)

由于中断许可位位于CPU 的标志寄存器中，因此spin_lock_irqsave()在获取自旋锁之前，把标志寄存器的值保存到flags 中，而spin_unlock_irqrestore()在释放自旋锁之后，占，由于中断或系统调用之后，可能会调度其他的进程运行(根据flags 恢复标志寄存器。这是通过下面的两个函数完成的。preempt_disable()的作用是关闭进程抢例如当前进程时间片用完，或者有一个拥有更高优先级的进程已经进入了就绪状态)，preempt_disable()关闭调度器的这个功能，从而保证当前进程在执行临界区代码的过程中不会被其他进程干扰。