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2012-04-22 20:39:48

并发控制

 

  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。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"。

   使用上一节我附的Makefile进行编译,在开发板上跑没问题,只是没法试验多终端。俺的板子不支持,没办法。今天重读此章,看到两个进程,想到可不可以利用fork函数进行测试。我们试试。
测试程序如下:
#include

#include

#include

#include

#include

int main(void)
{

    int fd, num;
    pid_t pid;

    pid=fork();

    if(pid < 0)printf("error in fork!");
    else if (pid == 0)
    {

        printf("I am parent\n");

        fd = open("/dev/globalvar", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);

        if (fd != -1 )

        {read(fd, &num, sizeof(int));

            printf("The globalvar is %d\n", num);

            printf("Please input the num \n");

            scanf("%d", &num);

            write(fd, &num, sizeof(int));

            read(fd, &num, sizeof(int));

            printf("The globalvar is %d\n", num);

            close(fd);
        }

        else

        {printf("Device open failure\n");
        }

    }

    else

    {printf( "I am child\n");

        fd = open("/dev/globalvar", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);

        if (fd != -1 )

        {read(fd, &num, sizeof(int));

            printf("The globalvar is %d\n", num);

            printf("Please input the num \n");

            scanf("%d", &num);

            write(fd, &num, sizeof(int));

            read(fd, &num, sizeof(int));

            printf("The globalvar is %d\n", num);

            close(fd);
        }

        else

        {printf("Device open failure\n");

        }

    }
       return 0;
}

运行结果如下: 

[root@(none)study]$./gtest                                                    

I am parent                                                                    

The globalvar is 12                                                            

Please input the num                                                           

I am child                                                                     

Device open failure

[root@(none) study]$

[root@(none)study]$./gtest                                                    

I am child                                                                     

The globalvar is 12                                                            

Please input the num                                                           

I am parent                                                                    

Device open failure  

[root@(none)study]$./gtest                                                    

I am child                                                                     

The globalvar is 12                                                            

Please input the num                                                           

I am parent                                                                    

Device open failure

 呵呵,结果得到了验证。



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