Linux框架（三）——并行和互斥

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

并发

Linux 系统是个多任务操作系统，会存在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。产生原因：

1. 多线程并发访问
2. 抢占式并发访问
3. 中断程序并发访问
4. SMP(多核)核间并发访问

如果多个线程同时操作临界区就表示存在竞争，我们在编写驱动的时候一定要注意避免并发和防止竞争访问。一般在编写驱动的时候就要考虑到并发与竞争，而不是驱动都编写完了然后再处理并发与竞争。

原子操作

原子操作就是指不能再进一步分割的操作，一般原子操作用于变量或者位操作。
** 其实就是对变量或者位操作一次性完成，无法被打断。**因为C 语言要先编译为成汇编指令，ARM 架构不支持直接对寄存器(内存)进行读写操作，要借助寄存器 R0、R1 等来完成赋值操作

Linux 内核提供了一组原子操作 API 函数来完成此功能，Linux 内核提供了两组原子操作 API 函数，一组是对整形变量进行操作的，一组是对位进行操作的，

原子变量操作API函数

Linux 内核定义了叫做 atomic_t 的结构体来完成整形数据的原子操作，在使用中用原子变量来代替整形变量，此结构体定义在 include/linux/types.h 文件中

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)	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

原子位操作API函数

位操作也是很常用的操作，Linux 内核也提供了一系列的原子位操作 API 函数，只不过原子位操作不像原子整形变量那样有个 atomic_t 的数据结构，原子位操作是直接对内存进行操作

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。

自旋锁

原子操作只能对整形变量或者位进行保护，但是，在实际的使用环境中怎么可能只有整形变量或位这么简单的临界区。

当一个线程要访问某个共享资源的时候首先要先获取相应的锁，锁只能被一个线程持有，只要此线程不释放持有的锁，那么其他的线程就不能获取此锁。自旋锁的“自旋”也就是“原地打转”的意思，“原地打转”的目的是为了等待自旋锁可以用，可以访问共享资源。

自旋锁的缺点：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。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

自旋锁API函数

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。

以上自旋锁API函数适用于 SMP 或支持抢占的单 CPU 下线程之间的并发访问，也就是用于线程与线程之间，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。

因为中断里面可以使用自旋锁，因此在中断里面使用自旋锁的时候，在获取锁之前一定要先禁止本地中断(也就是本 CPU 中断，对于多核 SOC来说会有多个 CPU 核)，否则可能导致锁死现象的发生

最好的解决方法就是获取锁之前关闭本地中断，Linux 内核提供了相应的 API 函数：

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。

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。

自旋锁使用注意事项

1. 因为在等待自旋锁的时候处于“自旋”状态，因此锁的持有时间不能太长，一定要短，否则的话会降低系统性能
2. 自旋锁保护的临界区内不能调用任何可能导致线程休眠的 API 函数
3. 不能递归申请自旋锁
4. 在编写驱动程序的时候我们必须考虑到驱动的可移植性，因此不管你用的是单核的还是多核的 SOC，都将其当做多核 SOC 来编写驱动程序。

信号量

大家如果有学习过 FreeRTOS 或者 UCOS 的话就应该对信号量很熟悉，因为信号量是同步的一种方式。Linux 内核也提供了信号量机制，信号量常常用于控制对共享资源的访问。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。

信号量的特点：

1. 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。
2. 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。
3. 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API函数

Linux 内核使用 semaphore 结构体表示信号量

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

互斥量

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。Linux 内核使用 mutex 结构体表示互斥体

使用 mutex 的时候要注意：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. mutex 不能递归上锁和解锁

互斥API函数

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。

Linux 内核还有很多其他的处理并发和竞争的机制，本章我们主要讲解了常用的原子操作、自旋锁、信号量和互斥体。