第6个驱动程序_同步互斥阻塞

运行在多任务的操作系统中，获取资源要考虑多进程读写的问题。
当x进程在读取某个资源的时候，可能y进程在对该资源执行写操作。怎么实现原子的读写某个资源呢？？

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一、原理介绍

1. 原子操作

原子操作指的是在执行过程中不会被别的代码路径所中断的操作。比如执行写操作，是一次性完成写操作的，中间不会被打断。

常用原子操作函数举例：

atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);        // 定义原子变量v并初始化为0
atomic_read(atomic_t *v);           // 返回原子变量的值
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
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);             //  自减操作后测试其是否为0，为0则返回true，否则返回false。

2. 信号量

信号量（semaphore）是用于保护临界区的一种常用方法，只有得到信号量的进程才能执行临界区代码。
当获取不到信号量时，进程进入休眠等待状态。

定义信号量

struct semaphore sem;

初始化信号量

void sema_init (struct semaphore *sem, int val);
void init_MUTEX(struct semaphore *sem);             //初始化为0

static DECLARE_MUTEX(button_lock);     //定义互斥锁

获得信号量

void down(struct semaphore * sem);               // 获取信号量，不能被中断唤醒
int down_interruptible(struct semaphore * sem);  // 可被中断唤醒
int down_trylock(struct semaphore * sem);        // 获取信号量，如果不能获取到，则立刻返回。

释放信号量

void up(struct semaphore * sem);  // 释放信号量

3. 阻塞与非阻塞

阻塞操作    

是指在执行设备操作时若不能获得资源则挂起进程，直到满足可操作的条件后再进行操作。
被挂起的进程进入休眠状态，被从调度器的运行队列移走，直到等待的条件被满足。

非阻塞操作  

进程在不能进行设备操作时并不挂起，它或者放弃，或者不停地查询，直至可以进行操作为止。
fd = open("...", O_RDWR | O_NONBLOCK);

阻塞就是干不完不准回来，   
非阻塞就是你先干，我现看看有其他事没有，完了告诉我一声。

下面有个隐喻：

一辆从 A 开往 B 的公共汽车上，路上有很多点可能会有人下车。司机不知道哪些点会有哪些人会下车，对于需要下车的人，如何处理更好？
1. 司机过程中定时询问每个乘客是否到达目的地，若有人说到了，那么司机停车，乘客下车。 ( 类似阻塞式 )
2. 每个人告诉售票员自己的目的地，然后睡觉，司机只和售票员交互，到了某个点由售票员通知乘客下车。 ( 类似非阻塞 )
很显然，每个人要到达某个目的地可以认为是一个线程，司机可以认为是 CPU 。在阻塞式里面，每个线程需要不断的轮询，上下文切换，以达到找到目的地的结果。而在非阻塞方式里，每个乘客 ( 线程 ) 都在睡觉 ( 休眠 ) ，只在真正外部环境准备好了才唤醒，这样的唤醒肯定不会阻塞。

非阻塞的原理

把整个过程切换成小的任务，通过任务间协作完成。
由一个专门的线程来处理所有的 IO 事件，并负责分发。
事件驱动机制：事件到的时候触发，而不是同步的去监视事件。
线程通讯：线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的进程切换。

二、驱动代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/arch/regs-gpio.h>
#include <asm/hardware.h>
#include <linux/poll.h>


static struct class *sixthdrv_class;
static struct class_device    *sixthdrv_class_dev;

volatile unsigned long *gpfcon;
volatile unsigned long *gpfdat;

volatile unsigned long *gpgcon;
volatile unsigned long *gpgdat;


static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);

/* 中断事件标志, 中断服务程序将它置1，sixth_drv_read将它清0 */
static volatile int ev_press = 0;

static struct fasync_struct *button_async;


struct pin_desc{
    unsigned int pin;
    unsigned int key_val;
};


/* 键值: 按下时, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04 */
/* 键值: 松开时, 0x81, 0x82, 0x83, 0x84 */
static unsigned char key_val;

struct pin_desc pins_desc[4] = {
    {S3C2410_GPF0, 0x01},
    {S3C2410_GPF2, 0x02},
    {S3C2410_GPG3, 0x03},
    {S3C2410_GPG11, 0x04},
};

//static atomic_t canopen = ATOMIC_INIT(1); // 定义原子变量并初始化为1
static DECLARE_MUTEX(button_lock);               // 定义互斥锁

/*
  * 确定按键值
  */
static irqreturn_t buttons_irq(int irq, void *dev_id)
{
    struct pin_desc * pindesc = (struct pin_desc *)dev_id;
    unsigned int pinval;

    pinval = s3c2410_gpio_getpin(pindesc->pin);

    if (pinval)
    {
        /* 松开 */
        key_val = 0x80 | pindesc->key_val;
    }
    else
    {
        /* 按下 */
        key_val = pindesc->key_val;
    }

    ev_press = 1; /* 表示中断发生了 */
    wake_up_interruptible(&button_waitq); /* 唤醒休眠的进程 */

    kill_fasync (&button_async, SIGIO, POLL_IN);

    return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}

static int sixth_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
#if 0
    if (!atomic_dec_and_test(&canopen))
    {
        atomic_inc(&canopen);
        return -EBUSY;
    }
#endif

    if (file->f_flags & O_NONBLOCK)  // 判断是否是非阻塞方式
    {
        if(down_trylock(&button_lock))  // 如果是非阻塞方式，则调用down_trylock函数获取资源，该函数如果获取不到资源，则立刻返回（非阻塞方式）
            return -EBUSY;
    }
    else
    {
        /* 获取信号量 */
        down(&button_lock);       // 如果是阻塞方式，则调用down函数获取资源
    }

    /* 配置GPF0,2为输入引脚 */
    /* 配置GPG3,11为输入引脚 */
    request_irq(IRQ_EINT0, buttons_irq, IRQT_BOTHEDGE, "S2", &pins_desc[0]);
    request_irq(IRQ_EINT2, buttons_irq, IRQT_BOTHEDGE, "S3", &pins_desc[1]);
    request_irq(IRQ_EINT11, buttons_irq, IRQT_BOTHEDGE, "S4", &pins_desc[2]);
    request_irq(IRQ_EINT19, buttons_irq, IRQT_BOTHEDGE, "S5", &pins_desc[3]);

    return 0;
}

ssize_t sixth_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
    if (size != 1)
        return -EINVAL;

    if (file->f_flags & O_NONBLOCK)   // 非阻塞方式读取，如果没有资源可以读取，则直接返回。
    {
        if (!ev_press)
            return -EAGAIN;
    }
    else
    {
        /* 如果没有按键动作, 休眠 */
        wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);
    }

    /* 如果有按键动作, 返回键值 */
    copy_to_user(buf, &key_val, 1);
    ev_press = 0;

    return 1;
}


int sixth_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
    //atomic_inc(&canopen);
    free_irq(IRQ_EINT0, &pins_desc[0]);
    free_irq(IRQ_EINT2, &pins_desc[1]);
    free_irq(IRQ_EINT11, &pins_desc[2]);
    free_irq(IRQ_EINT19, &pins_desc[3]);

    up(&button_lock);  // 释放信号量

    return 0;
}

static unsigned sixth_drv_poll(struct file *file, poll_table *wait)
{
    unsigned int mask = 0;
    poll_wait(file, &button_waitq, wait); // 不会立即休眠

    if (ev_press)
        mask |= POLLIN | POLLRDNORM;

    return mask;
}

static int sixth_drv_fasync (int fd, struct file *filp, int on)
{
    printk("driver: sixth_drv_fasync\n");
    return fasync_helper (fd, filp, on, &button_async);
}


static struct file_operations sencod_drv_fops = {
    .owner = THIS_MODULE, /* 这是一个宏，推向编译模块时自动创建的__this_module变量 */
    .open = sixth_drv_open,
    .read     =    sixth_drv_read,
    .release = sixth_drv_close,
    .poll = sixth_drv_poll,
    .fasync     = sixth_drv_fasync,
};


int major;
static int sixth_drv_init(void)
{
    major = register_chrdev(0, "sixth_drv", &sencod_drv_fops);
    sixthdrv_class = class_create(THIS_MODULE, "sixth_drv");
    sixthdrv_class_dev = class_device_create(sixthdrv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "buttons"); /* /dev/buttons */

    gpfcon = (volatile unsigned long *)ioremap(0x56000050, 16);
    gpfdat = gpfcon + 1;
    gpgcon = (volatile unsigned long *)ioremap(0x56000060, 16);
    gpgdat = gpgcon + 1;

    return 0;
}

static void sixth_drv_exit(void)
{
    unregister_chrdev(major, "sixth_drv");
    class_device_unregister(sixthdrv_class_dev);
    class_destroy(sixthdrv_class);

    iounmap(gpfcon);
    iounmap(gpgcon);

    return 0;
}


module_init(sixth_drv_init);
module_exit(sixth_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

三、测试代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <poll.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>


/* sixthdrvtest
  */
int fd;

void my_signal_fun(int signum)
{
    unsigned char key_val;
    read(fd, &key_val, 1);
    printf("key_val: 0x%x\n", key_val);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    unsigned char key_val;
    int ret;
    int Oflags;

    //signal(SIGIO, my_signal_fun);

    fd = open("/dev/buttons", O_RDWR | O_NONBLOCK);  // 以非阻塞方式打开文件。
    if (fd < 0)
    {
        printf("can't open!\n");
        return -1;
    }

    //fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());
    //Oflags = fcntl(fd, F_GETFL);
    //fcntl(fd, F_SETFL, Oflags | FASYNC);

    while (1)
    {
        ret = read(fd, &key_val, 1); // 非阻塞方式读取，如果没有资源可以读取，则立即返回。
        printf("key_val: 0x%x, ret = %d\n", key_val, ret);
        sleep(5);
    }

    return 0;
}

四、测试

五、小结

并发的控制，什么时候出现并发的情况。见【LDD3学习6.1_chapter5：并发和竞态】。

信号量，互斥锁（二值信号量）和自旋锁比较：

信号量/互斥体允许进程睡眠属于睡眠锁，自旋锁则不允许调用者睡眠，而是让其循环等待，所以有以下区别应用   

1）信号量和读写信号量适合于保持时间较长的情况，它们会导致调用者睡眠，因而自旋锁适合于保持时间非常短的情况  
2）自旋锁可以用于中断，不能用于进程上下文(会引起死锁)。而信号量不允许使用在中断中，而可以用于进程上下文  
3）自旋锁保持期间是抢占失效的，自旋锁被持有时，内核不能被抢占，而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的  

另外需要注意的是  
1）信号量锁保护的临界区可包含可能引起阻塞的代码，而自旋锁则绝对要避免用来保护包含这样代码的临界区，因为阻塞意味着要进行进程的切换，如果进程被切换出去后，另一进程企图获取本自旋锁，死锁就会发生。  
2）在你占用信号量的同时不能占用自旋锁，因为在你等待信号量时可能会睡眠，而在持有自旋锁时是不允许睡眠的。  

信号量和互斥体之间的区别 
概念上的区别：       
信号量：

是进程间（线程间）同步用的，一个进程（线程）完成了某一个动作就通过信号量告诉别的进程（线程），别的进程（线程）再进行某些动作。有二值和多值信号量之分。  

互斥锁：

是线程间互斥用的，一个线程占用了某一个共享资源，那么别的线程就无法访问，直到这个线程离开，其他的线程才开始可以使用这个共享资源。可以把互斥锁看成二值信号量。    

上锁时： 
信号量:

只要信号量的value大于0，其他线程就可以sem_wait成功，成功后信号量的value减一。若value值不大于0，则sem_wait阻塞，直到sem_post释放后value值加一。一句话，信号量的value>=0。  

互斥锁:

只要被锁住，其他任何线程都不可以访问被保护的资源。如果没有锁，获得资源成功，否则进行阻塞等待资源可用。一句话，线程互斥锁的vlaue可以为负数。    

使用场所： 
信号量主要适用于进程间通信，当然，也可用于线程间通信。而互斥锁只能用于线程间通信。