浅析解决并发和竞态技术问题研究

原创已于 2022-04-23 14:26:58 修改

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#linux #嵌入式

于 2022-04-23 14:26:06 首次发布

本文探讨了并发编程中的竞态问题，着重讲解了对称多处理器（SMP）中的竞态、单CPU内进程抢占、中断与进程交互的解决方案，包括中断屏蔽、自旋锁、信号量和互斥体的使用。通过实例演示了如何在驱动程序和C语言程序中应用这些机制以确保资源的互斥访问。

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文章目录

1. 并发与竞态
2. 解决竞态问题
3.互斥体使用

1. 并发与竞态

并发指的是多个执行单元同时，并行被执行比如当设备被一个程序打开时，存在被另一个程序打开的可能，如果两个或多个程序同时对设备文件进行写操作，这就是说我们的设备资源同时被多个进程使用,对共享资源（硬件资源、和软件上的全局变量、静态变量等）的访问则很容易导致竞态。

主要竞态发生在如下几种情况对称多处理器SMP的多个CPU，单CPU内进程与抢占它的进程和中断与进程之间。

1.1 对称多处理器SMP的多个CPU

SMP是一种紧耦合，共享存储的系统模型，它的特点是多个CPU使用共同的系统总线，因此可访问共同的外设和储存器。

在SMP的情况下，比如二个核（CPU0和CPU1）的竞态可能发生于CPU0的进程与CPU1的进程之间，CPU0的进程与CP1的中断之间以及CPU0的中断与CPU1的中间之间。

1.2 单CPU内进程与抢占它的进程

内核支持内核抢占调度，一个进程在内核执行的时候可能耗完自己的时间片，也可能被另外一个高优先级进程打断，进程与抢占它的进程访问共享资源的情况类似于SMP的多个CPU。

1.3中断与进程之间

中断可以打断正在执行的进程，如果中断服务程序访问进程正在访问的资源，则竞态也会发生。还有中断之间本身也可能引起并行而导致竞态。

2. 解决竞态问题

解决竞态问题的途径是保证对共享资源的互斥访问，所谓互斥访问时指一个执行单元在访问共享资源的时候，其他的执行单元被禁止访问。访问共享资源的代码区域称为临界区，临界区需要被以某种互斥机制加以保护。

2.1中断屏蔽

在单CPU范围内避免竞态的一种简单而有效的方法是在进入临界区之前屏蔽系统的中断，CPU一般都具备屏蔽中断和打开中断的功能，这项功能可以保证正在执行路径不被中断处理程序所抢占，防止某些竞态条件的发生。

中断屏蔽的使用方法：

local_irq_disable()       //屏蔽中断
···
critical section          //临界区
···
local_irq_enable()        //开中断

中断屏蔽其底层原理是让CPU本身不响应中断，比如，对于ARM处理器而言，其底层实现是屏蔽ARM CPSR的I位

注意：不要长时间地屏蔽中断，因为Linux系统的异步IO、进程调度等很多重要操作都依赖于中断，在屏蔽中断期间，所有的中断都无法得到处理，长时间屏蔽中断可能造成数据丢失甚至系统崩溃。

2.2自旋锁

自旋锁是一种经典的对临界资源进行互斥访问的手段。比如在驱动程序中，有的设备只允许打开一次，那么就需要一个自旋锁来保护表示设备打开和关闭状态的变量count。

自旋锁一般的使用方法：


spinlock_t lock;         //定义一个自旋锁

spin_lock_init(&lock)    //初始化自旋锁

spin_lock(&lock)         //获得自旋锁
···
critical section         //临界区
···
local_irq_enable()       //解除自旋锁

自旋锁是一种忙等待，当自旋锁条件不满足时，会一直不断的循环条件是否满足。所以适合短时间锁定的轻量级加锁机制。

注意：自旋锁不能递归使用。因为自旋锁被设计为在不同线程或函数之间同步

2.3信号量

信号量本质上是一个整数值，是一种外部资源的标识。有的一对操作函数分别被称为P和V。

Linux提供了两种信号量，其中一种用于内核程序中，另一种用于用户程序中。

信号量也是一种保护临界资源的一种有用方法。信号量与自旋锁使用方法基本一样。与自旋锁相比，信号量只有当得到信号量的进程或者线程时才能够进入临界区，执行临界代码。

信号量与自旋锁最大的不同：当一个进程试图获取一个锁定的信号量时，进程不会像自旋锁一样在远处忙等待。而是采用如下方式：当获取的信号量没有被释放时，进程会将自身加入一个等待队列中去睡眠，直到拥有信号量的进程释放掉信号量后，处于等待队列的那个进程才被唤醒。然后继续执行。所以这就要求使用信号量的进程是能够睡眠的进程（像中断处理程序就不能使用信号量）。

2.4互斥体

互斥体一般使用方法：

struct mutex my_mutex; /* 定义 mutex */
mutex_init(&my_mutex); /* 初始化 mutex */
mutex_lock(&my_mutex); /* 获取 mutex */
···
critical section         //临界区
···
mutex_unlock(&my_mutex); /* 释放 mutex */

3.互斥体使用

3.1驱动加上互斥体

驱动代码加上互斥体如下所示

static ssize_t mycdev_read(struct file *fp, char __user *buf, size_t size, loff_t *pos)
{
    if(size > MYCDEV_SIZE)  //判断是否要读取的大小大于缓存数组的大小
        size = MYCDEV_SIZE;    //如果上面的if成立将缓存数组的数据赋值给读取的大小
    //获得互斥体
	mutex_lock(&mutex);
	//临界区
    if(copy_to_user(buf,kernel_buf,size) != 0) //如果操作失败返回值不等于0
    {
        printk("read error!\n");  //打印出读取失败的串口信息
        return -1;
    }
     //释放互斥体
	mutex_unlock(&mutex);
    printk("reader:%d bytes was read...\n",size);
    return size;   //返回读取的大小
}

3.2互斥体简单测试

用一个简单的C语言程序来实验互斥体的作用

下面是一个C语言程序创建了二个线程。二个线程分别都访问同一个函数。而函数是进入一个无限循环执行的状态。然后对变量val进行累加每累加10000次就打印出val变量。如果二个线程同时访问这个函数然后对val变量进行累加就会造成val输出的可能不是10000的整数。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/sysinfo.h>
#include <sched.h>
#include <ctype.h>
#include <fcntl.h>   //头文件
 
pthread_mutex_t mutex;   //定义一个互斥体
int val = 0;
 
void *ThreadFunc(void *arg)
{	
	while(1)
	{
		//pthread_mutex_lock(&mutex); /*获取互斥锁*/
		int i = 0;
		for(i = 0 ; i < 10000 ; i++)
		{
			val++;
		}
		printf("val = %d\n" , val);
		//pthread_mutex_unlock(&mutex); /*释放互斥锁*/
	}
	
	return 0;
}
 
int main()
{
	void *ResVal;
	pthread_mutex_init (&mutex, NULL); //互斥体初始化
	pthread_t thread1 , thread2;   //定义二个线程
	pthread_create(&thread1 , NULL , ThreadFunc , NULL);
	pthread_create(&thread2 , NULL , ThreadFunc , NULL);
	pthread_join(thread1 , &ResVal);
	pthread_join(thread2 , &ResVal);
}

1.没加互斥体的情况下

将上面的c语言程序编译并执行得到如下图所示不是10000的整数
在这里插入图片描述

2.加入互斥体的情况

如下面的代码进入累加的代码区前获得互斥锁然后在累加完成打印出变量val的值后释放互斥锁。

	while(1)
	{
		pthread_mutex_lock(&mutex); /*获取互斥锁*/
		int i = 0;
		for(i = 0 ; i < 10000 ; i++)
		{
			val++;
		}
		printf("val = %d\n" , val);
		pthread_mutex_unlock(&mutex); /*释放互斥锁*/
	}

将加入互斥锁的C语言程序重新编译并执行得到如下图所示的打印出来都是10000的整数
在这里插入图片描述

3.3测试过程错误处理

C语言调用线程时

在编译C语言测试程序时，使用pthread_create 函数出现下图所示的错误。
在这里插入图片描述

问题的原因：pthread不是linux下的默认的库，也就是在链接的时候，无法找到phread库中哥函数的入口地址，于是链接会失败。

解决：在gcc编译的时候，附加要加 -lpthread参数即可解决。

试用如下命令即可编译通过

gcc stack_test.c -o stack_test -lpthread

2.for循环的标准错误

由于在C语言程序中使用了 for(int i = 0;i < 10; i++)
出现了如下的错误
在这里插入图片描述

错误的原因，这是因为在gcc中直接在for循环中初始化了增量：

 for(int i = 0;i < 10; i++){
       
    }

这语法在gcc中是错误的，必须先先定义i变量：

int i;
for(i=0；i<10;i++）{

}

这是因为gcc基于c89标准，换成C99标准就可以在for循环内定义i变量了：

gcc src.c -std=c99 -o src

 for(int i = 0;i < 10; i++){
       
    }

这语法在gcc中是错误的，必须先先定义i变量：

int i;
for(i=0；i<10;i++）{

}

这是因为gcc基于c89标准，换成C99标准就可以在for循环内定义i变量了：

gcc src.c -std=c99 -o src