LINUX并发与竞争

本文全部参考正点原子教程，为的是给学习过程做一个总结，方便以后复习。

1、并发与竞争简介

并发就是多个“用户”同时访问同一个共享资源，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。针对这个问题必须要做处理，严重的话可能会导致系统崩溃。

并发访问带来的问题就是竞争，所谓的临界区就是共享数据段。对于临界区必须保证一次只有一个线程访问，也就是要保证临界区是原子访问的,

2、Linux 内核提供的几种并发和竞争的处理方法

2.1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。假如现在要对无符号整形变量 a 赋值，值为 3，对于 C 语言来讲很简单，但是 C 语言要先编译为成汇编指，ARM 架构不支持直接对寄存器进行读写操作，比如要借助寄存器 R0、R1 等来完成赋值操作。

ldr r0, =0X30000000 /* 变量 a 地址 */
ldr r1, = 3 /* 要写入的值 */
str r1, [r0] /* 将 3 写入到 a 变量中 */

要解决这个问题就要保证代码中的三行汇编指令作为一个整体运行，也就是作为一个原子存在。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。

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。

typedef struct {
int counter;
} atomic_t;

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。

 2.2自旋锁

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。对于自旋锁而言，如果自旋锁正在被线程 A 持有,线程 B 想要获取自旋锁，那么线程 B 就会处于忙循环-旋转-等待状态，线程 B 不会进入休眠状态或者说去做其他的处理，而是会一直傻傻的在那里“转圈圈”的等待锁用。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。

Linux 内核使用结构体 spinlock_t 表示自旋锁

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。如果线程 A 在持有锁期间进入了休眠状态，那么线程 A 会自动放弃 CPU 使用权。线程 B 开始运行，线程 B 也想要获取锁，但是此时锁被 A 线程持有，而且内核抢占还被禁止了!线程 B 无法被调度出去，那么线程 A 就无法运行，锁也就无法释放，好了,死锁发生了!

中断里面可以使用自旋锁，但是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。

一般在线程中使用 spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore,在中断中使用 spin_lock/spin_unlock

相比于自旋锁。

2.3信号量

信号量可以使线程进入休眠状态。总结一下信号量的特点:

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。

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

2.4互斥体

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;
};

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。并且 mutex 不能递归上锁和解锁。