上下文和并发场合
上下文（Context）
在Linux中，上下文通常指的是执行某个操作或访问某个资源时的环境状态，包括但不限于用户身份、权限级别、当前工作目录等。上下文对于理解和管理文件权限尤为重要，因为它决定了哪些操作是允许的，哪些是被禁止的。
上下文切换
当系统从一个用户切换到另一个用户，或者从一个进程切换到另一个进程时，会进行上下文切换。上下文切换涉及保存当前上下文的状态，并加载新的上下文状态。这确保了系统在执行不同任务时能够保持正确的环境状态。
并发场合（Concurrency Scenarios）
在并发场合下，多个进程或线程可能会同时访问同一个资源（如文件、数据库等）。为了避免数据冲突和保持系统稳定性，Linux提供了多种机制来管理并发访问。
竞态：多任务并行执行时，如果在一个时刻同时操作同一个资源，会引起资源的错乱，这种错乱情形被称为竞态
共享资源：可能会被多个任务同时使用的资源
临界区：操作共享资源的代码段
为了解决竞态，需要提供一种控制机制，来避免在同一时刻使用共享资源，这种机制被称为并发控制机制
并发控制机制分类：
- 原子操作类
- 忙等待类
- 阻塞类
通用并发控制机制的一般使用套路：
/*互斥问题：*/
并发控制机制初始化为可用
P操作
临界区
V操作
/*同步问题：*/
//并发控制机制初始化为不可用
//先行方：
。。。。。
V操作
//后行方：
P操作
。。。。。
中断屏蔽：一种同步机制的辅助手段
禁止本cpu中断 使能本cpu中断
local_irq_disable(); local_irq_enable();
local_irq_save(flags); local_irq_restore(flags); 与cpu的中断位相关
local_bh_disable(); local_bh_enable(); 与中断低半部有关，关闭、打开软中断
禁止中断
临界区 //临界区代码不能占用太长时间，需要很快完成
打开中断
适用场合：中断上下文与某任务共享资源时，或多个不同优先级的中断上下文间共享资源时
原子变量
原子变量：存取不可被打断的特殊整型变量
a.设置原子量的值
void atomic_set(atomic_t *v,int i); //设置原子量的值为i
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0); //定义原子变量v并初始化为0
v = 10;//错误
b.获取原子量的值
atomic_read(atomic_t *v); //返回原子量的值
c.原子变量加减
void atomic_add(int i,atomic_t *v);//原子变量增加i
void atomic_sub(int i,atomic_t *v);//原子变量减少i
d.原子变量自增自减
void atomic_inc(atomic_t *v);//原子变量增加1
void atomic_dec(atomic_t *v);//原子变量减少1
e.操作并测试：运算后结果为0则返回真，否则返回假
int atomic_inc_and_test(atomic_t *v); //增1 后判断真假
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v); //减1 后判断真假
int atomic_sub_and_test(int i,atomic_t *v); //减'i' 后判断真假
原子位操作方法：
a.设置位
void set_bit(nr, void *addr); //设置addr的第nr位为1
b.清除位
void clear_bit(nr , void *addr); //清除addr的第nr位为0
c.改变位
void change_bit(nr , void *addr); //改变addr的第nr位为1
d.测试位
void test_bit(nr , void *addr); //测试addr的第nr位是否为1
适用场合：共享资源为单个整型变量的互斥场合
实现效果：open一个文件成功，open其余文件失败 。
原理：利用atomic_t openflag;当1 can open , 0 not open
mychar_openonce.c:
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/atmdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/ioctl.h>
#define BUF_LEN 100
int major = 11; //主设备号
int minor = 0; //次设备号
int char_num = 1; //设备号数量
struct openonce_dev
{
struct cdev mydev;
char mydev_buf[BUF_LEN];
int curlen;
atomic_t openflag; //1 can open , 0 not open
};
struct openonce_dev gmydev;
int openonce_open (struct inode *pnode, struct file *pfile)//打开设备
{
struct openonce_dev *pmydev = NULL;
pfile->private_data = (void *) (container_of(pnode->i_cdev, struct openonce_dev, mydev));
pmydev = (struct openonce_dev *)pfile->private_data;
if(atomic_dec_and_test(&pmydev->openflag) ) {
return 0;
} else {
atomic_inc(&pmydev->openflag);
printk("not open\n");
return -1;
}
}
int openonce_close(struct inode *pnode, struct file *pfile)//关闭设备
{
atomic_set(&gmydev.openflag, 1);
return 0;
}
struct file_operations myops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = openonce_open,
.release = openonce_close,
};
int __init openonce_init(void)
{
int ret = 0;
dev_t devno = MKDEV(major, minor);
/* 手动申请设备号 */
ret = register_chrdev_region(devno, char_num, "openonce");
if (ret) {
/* 动态申请设备号 */
ret = alloc_chrdev_region(&devno, minor, char_num, "openonce");
if(ret){
printk("get devno failed\n");
return -1;
}
/*申请成功 更新设备号*/
major = MAJOR(devno);
}
/* 给struct cdev对象指定操作函数集 */
cdev_init(&gmydev.mydev, &myops);
/* 将struct cdev对象添加到内核对应的数据结构中 */
gmydev.mydev.owner = THIS_MODULE;
cdev_add(&gmydev.mydev, devno, char_num);
atomic_set(&gmydev.openflag, 1);
return 0;
}
void __exit openonce_exit(void)
{
dev_t devno = MKDEV(major, minor);
printk("exit %d\n", devno);
/* 从内核中移除一个字符设备 */
cdev_del(&gmydev.mydev);
/* 回收设备号 */
unregister_chrdev_region(devno, char_num);
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(openonce_init);
module_exit(openonce_exit);
test_openonce.c:
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd = -1;
if(argc < 2) {
printf("The argument is too few\n");
return -1;
}
fd = open(argv[1], O_RDWR);
if(fd < 0) {
perror("open");
return -1;
}
while(1);
close(fd);
fd = -1;
return 0;
}
实现效果：
自旋锁：基于忙等待的并发控制机制
a.定义自旋锁
spinlock_t lock;
b.初始化自旋锁
spin_lock_init(spinlock_t *);
c.获得自旋锁
spin_lock(spinlock_t *); //成功获得自旋锁立即返回，否则自旋在那里直到该自旋锁的保持者释放
spin_trylock(spinlock_t *); //成功获得自旋锁立即返回真，否则返回假，而不是像上一个那样"在原地打转”
d.释放自旋锁
spin_unlock(spinlock_t *);
#include <linux/spinlock.h>
定义spinlock_t类型的变量lock
spin_lock_init(&lock)后才能正常使用spinlock
spin_lock(&lock);
临界区
spin_unlock(&lock);
适用场合：
- 异常上下文之间或异常上下文与任务上下文之间共享资源时
- 任务上下文之间且临界区执行时间很短时
- 互斥问题
openonce_spinlock.c：
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/atmdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/ioctl.h>
#define BUF_LEN 100
int major = 11; //主设备号
int minor = 0; //次设备号
int char_num = 1; //设备号数量
struct openonce_dev
{
struct cdev mydev;
char mydev_buf[BUF_LEN];
int curlen;
int openflag; //1 can open , 0 not open
spinlock_t lock;
};
struct openonce_dev gmydev;
int openonce_open (struct inode *pnode, struct file *pfile)//打开设备
{
struct openonce_dev *pmydev = NULL;
pfile->private_data = (void *) (container_of(pnode->i_cdev, struct openonce_dev, mydev));
pmydev = (struct openonce_dev *)pfile->private_data;
spin_lock(&pmydev->lock);
if(pmydev->openflag) {
pmydev->openflag = 0;
spin_unlock(&pmydev->lock);
return 0;
} else {
spin_unlock(&pmydev->lock);
return -1;
}
}
int openonce_close(struct inode *pnode, struct file *pfile)//关闭设备
{
struct openonce_dev *pmydev = (struct openonce_dev *)pfile->private_data;
spin_lock(&pmydev->lock);
pmydev->openflag = 1;
spin_unlock(&pmydev->lock);
return 0;
}
struct file_operations myops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = openonce_open,
.release = openonce_close,
};
int __init openonce_init(void)
{
int ret = 0;
dev_t devno = MKDEV(major, minor);
/* 手动申请设备号 */
ret = register_chrdev_region(devno, char_num, "openonce");
if (ret) {
/* 动态申请设备号 */
ret = alloc_chrdev_region(&devno, minor, char_num, "openonce");
if(ret){
printk("get devno failed\n");
return -1;
}
/*申请成功 更新设备号*/
major = MAJOR(devno);
}
/* 给struct cdev对象指定操作函数集 */
cdev_init(&gmydev.mydev, &myops);
/* 将struct cdev对象添加到内核对应的数据结构中 */
gmydev.mydev.owner = THIS_MODULE;
cdev_add(&gmydev.mydev, devno, char_num);
gmydev.openflag = 1;
spin_lock_init(&gmydev.lock);
return 0;
}
void __exit openonce_exit(void)
{
dev_t devno = MKDEV(major, minor);
printk("exit %d\n", devno);
/* 从内核中移除一个字符设备 */
cdev_del(&gmydev.mydev);
/* 回收设备号 */
unregister_chrdev_region(devno, char_num);
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(openonce_init);
module_exit(openonce_exit);
test_openonce.c：（同上）
最终实现效果同上。
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