深入浅出 Linux设备驱动并发控制介绍

在驱动程序中，当多个线程同时访问相同的资源时（驱动程序中的全局变量是一种典型的共享资源），可能会引发"竞态"，因此我们必须对共享资源进行并发控制。Linux内核中解决并发控制的最常用方法是自旋锁与信号量（绝大多数时候作为互斥锁使用）。

　　自旋锁与信号量"类似而不类"，类似说的是它们功能上的相似性，"不类"指代它们在本质和实现机理上完全不一样，不属于一类。

　　自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环查看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，"自旋"就是"在原地打转"。而信号量则引起调用者睡眠，它把进程从运行队列上拖出去，除非获得锁。这就是它们的"不类"。

　　但是，无论是信号量，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，即在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。这就是它们的"类似"。

　　鉴于自旋锁与信号量的上述特点，一般而言，自旋锁适合于保持时间非常短的情况，它可以在任何上下文使用；信号量适合于保持时间较长的情况，只能在进程上下文使用。如果被保护的共享资源只在进程上下文访问，则可以以信号量来保护该共享资源，如果对共享资源的访问时间非常短，自旋锁也是好的选择。但是，如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。

　　与信号量相关的API主要有：

　　定义信号量

　　struct semaphore sem;

　　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

　　void init_MUTEX (struct semaphore *sem);

　　该函数用于初始化一个互斥锁，即它把信号量sem的值设置为1，等同于

　　sema_init (struct semaphore *sem, 1)；

　　void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem);

　　该函数也用于初始化一个互斥锁，但它把信号量sem的值设置为0，等同于

　　sema_init (struct semaphore *sem, 0)；

　　获得信号量

　　void down(struct semaphore * sem);

　　该函数用于获得信号量sem，它会导致睡眠，因此不能在中断上下文使用；

　　int down_interruptible(struct semaphore * sem);

　　该函数功能与down类似，不同之处为，down不能被信号打断，但

　　down_interruptible能被信号打断；

　　int down_trylock(struct semaphore * sem);

　　该函数尝试获得信号量sem，如果能够立刻获得，它就获得该信号量并返回0，否则，返回非0值。它不会导致调用者睡眠，可以在中断上下文使用。

　　释放信号量

　　void up(struct semaphore * sem);

　　该函数释放信号量sem，唤醒等待者。

　　与自旋锁相关的API主要有：

　　定义自旋锁

　　spinlock_t spin;

　　初始化自旋锁

　　spin_lock_init(lock)

　　该宏用于动态初始化自旋锁lock

　　获得自旋锁

　　spin_lock(lock)

　　该宏用于获得自旋锁lock，如果能够立即获得锁，它就马上返回，否则，它将自旋在那里，直到该自旋锁的保持者释放；

　　spin_trylock(lock)

　　该宏尝试获得自旋锁lock，如果能立即获得锁，它获得锁并返回真，否则立即返回假，实际上不再"在原地打转"；

　　释放自旋锁

　　spin_unlock(lock)

　　该宏释放自旋锁lock，它与spin_trylock或spin_lock配对使用；

　　除此之外，还有一组自旋锁使用于中断情况下的API。

　　下面进入对并发控制的实战。首先，在globalvar的驱动程序中，我们可以通过信号量来控制对int global_var的并发访问，下面给出源代码：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

MODULE_LICENSE("GPL");

#define MAJOR_NUM 254

static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*);
static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*);

struct file_operations globalvar_fops =
{
　   read: globalvar_read,

    write: globalvar_write,
};
static int global_var = 0;
static struct semaphore sem;

static int __init globalvar_init(void)
{
　int ret;
　ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops);
　if (ret)
　{
　　printk("globalvar register failure");
　}
　else
　{
　　printk("globalvar register success");
　　init_MUTEX(&sem);
　}
　return ret;
}

static void __exit globalvar_exit(void)
{
　int ret;
　ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar");
　if (ret)
　{
　　printk("globalvar unregister failure");
　}
　else
　{
　　printk("globalvar unregister success");
　}
}

static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
　//获得信号量
　if (down_interruptible(&sem))
　{
　　return - ERESTARTSYS;
　}

　//将global_var从内核空间复制到用户空间
　if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)))
　{
　　up(&sem);
　　return - EFAULT;
　}

　//释放信号量
　up(&sem);

　return sizeof(int);
}

ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
　//获得信号量
　if (down_interruptible(&sem))
　{
　　return - ERESTARTSYS;
　}

　//将用户空间的数据复制到内核空间的global_var
　if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))
　{
　　up(&sem);
　　return - EFAULT;
　}

　//释放信号量
　up(&sem);
　return sizeof(int);
}

module_init(globalvar_init);
module_exit(globalvar_exit);

　　接下来，我们给globalvar的驱动程序增加open()和release()函数，并在其中借助自旋锁来保护对全局变量int globalvar_count（记录打开设备的进程数）的访问来实现设备只能被一个进程打开（必须确保globalvar_count最多只能为1）：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

MODULE_LICENSE("GPL");

#define MAJOR_NUM 254

static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*);
static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*);
static int globalvar_open(struct inode *inode, struct file *filp);
static int globalvar_release(struct inode *inode, struct file *filp);

struct file_operations globalvar_fops =
{
　read    : globalvar_read, 
  write  : globalvar_write, 
  open   : globalvar_open, 
  release: globalvar_release,
};

static int global_var = 0;
static int globalvar_count = 0;
static struct semaphore sem;
static spinlock_t spin = SPIN_LOCK_UNLOCKED;

static int __init globalvar_init(void)
{
　int ret;
 ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar",   &globalvar_fops);
　if (ret)
　{
　　printk("globalvar register failure");
　}
　else
　{
　　printk("globalvar register success");
　　init_MUTEX(&sem);
　}
　return ret;
}

static void __exit globalvar_exit(void)
{
　int ret;
　ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar");
　if (ret)
　{
　　printk("globalvar unregister failure");
　}
　else
　{
　　printk("globalvar unregister success");
　}
}

static int globalvar_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
　//获得自选锁
　spin_lock(&spin);

　//临界资源访问
　if (globalvar_count)
　{
　　spin_unlock(&spin);
　　return - EBUSY;
　}
　globalvar_count++;

　//释放自选锁
　spin_unlock(&spin);
　return 0;
}

static int globalvar_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
　globalvar_count--;
　return 0;
}

static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t
*off)
{
　if (down_interruptible(&sem))
　{
　　return - ERESTARTSYS;
　}
　if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)))
　{
　　up(&sem);
　　return - EFAULT;
　}
　up(&sem);
　return sizeof(int);
}

static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len,
loff_t *off)
{
　if (down_interruptible(&sem))
　{
　　return - ERESTARTSYS;
　}
　if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))
　{
　　up(&sem);
　　return - EFAULT;
　}
　up(&sem);
　return sizeof(int);
}

module_init(globalvar_init);
module_exit(globalvar_exit);

　　为了上述驱动程序的效果，我们启动两个进程分别打开/dev/globalvar。在两个终端中调用./globalvartest.o测试程序，当一个进程打开/dev/globalvar后，另外一个进程将打开失败，输出"device open failure"。