Linux设备驱动程序学习（3）-并发和竞态
今天进入《Linux设备驱动程序（第3版）》第五章并发和竞态的学习。
对并发的管理是操作系统编程中核心的问题之一。 并发产生竞态，竞态导致共享数据的非法访问。因为竞态是一种极端低可能性的事件，因此程序员往往会忽视竞态。但是在计算机世界中，百万分之一的事件可能没几秒就会发生，而其结果是灾难性的。
一、并发及其管理
竞态通常是作为对资源的共享访问结果而产生的。
在设计自己的驱动程序时，第一个要记住的规则是：只要可能，就应该避免资源的共享。若没有并发访问，就不会有竞态。这种思想的最明显的应用是避免使用全局变量。
但是，资源的共享是不可避免的 ，如硬件资源本质上就是共享、指针传递等等。
资源共享的硬性规则：
（1）在单个执行线程之外共享硬件或软件资源的任何时候，因为另外一个线程可能产生对该资源的不一致观察，因此必须显示地管理对该资源的访问。--访问管理的常见技术成为“锁定”或者“互斥”：确保一次只有一个执行线程可操作共享资源。
（2）当内核代码创建了一个可能和其他内核部分共享的对象时，该对象必须在还有其他组件引用自己时保持存在（并正确工作）。对象尚不能正确工作时，不能将其对内核可用。
二、信号量和互斥体
一个信号量（semaphore: 旗语，信号灯）本质上是一个整数值，它和一对函数联合使用，这一对函数通常称为P和V。希望进入临届区的进程将在相关信号量上调用P；如果信号量的值大于零，则该值会减小一，而进程可以继续。相反，如果信号量的值为零（或更小），进程必须等待知道其他人释放该信号。对信号量的解锁通过调用V完成；该函数增加信号量的值，并在必要时唤醒等待的进程。
当信号量用于互斥时（即避免多个进程同是在一个临界区运行），信号量的值应初始化为1。这种信号量在任何给定时刻只能由单个进程或线程拥有。在这种使用模式下，一个信号量有事也称为一个“互斥体（mutex）”,它是互斥（mutual exclusion）的简称。Linux内核中几乎所有的信号量均用于互斥。
以下是信号量初始化的方法：
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/*初始化函数*/
void sema_init(struct semaphore *sem, int val);
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由于信号量通常被用于互斥模式。所以以下是内核提供的一组辅助函数和宏：
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/*方法一、声明+初始化宏*/
DECLARE_MUTEX(name);
DECLARE_MUTEX_LOCKED(name);
/*方法二、初始化函数*/
void init_MUTEX(struct semaphore *sem);
void init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *sem);
/*带有“_LOCKED”的是将信号量初始化为0，即锁定，允许任何线程访问时必须先解锁。没带的为1。*/
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P函数为：
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void down(struct semaphore *sem); /*不推荐使用，会建立不可杀进程*/
int down_interruptible(struct semaphore *sem);/*推荐使用，使用down_interruptible需要格外小心，若操作被中断，该函数会返回非零值，而调用这不会拥有该信号量。对down_interruptible的正确使用需要始终检查返回值，并做出相应的响应。*/
int down_trylock(struct semaphore *sem);/*带有“_trylock”的永不休眠，若信号量在调用是不可获得，会返回非零值。*/ |
V函数为：
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void up(struct semaphore *sem);/*任何拿到信号量的线程都必须通过一次（只有一次）对up的调用而释放该信号量。在出错时，要特别小心；若在拥有一个信号量时发生错误，必须在将错误状态返回前释放信号量。*/
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三、自旋锁
其实上面介绍的几种信号量和互斥机制，其底层源码对于自身结构体的某些变量的维护也用到了现在我们讲到的自旋锁,但是绝不是自旋锁的再包装。
自旋锁是一个互斥设备，他只能会两个值：“锁定”和“解锁”。它通常实现为某个整数之中的单个位。
“测试并设置”的操作必须以原子方式完成。
任何时候，只要内核代码拥有自旋锁，在相关CPU上的抢占就会被禁止。
适用于自旋锁的核心规则：
（1）任何拥有自旋锁的代码都必须使原子的，除服务中断外（某些情况下也不能放弃CPU,如中断服务也要获得自旋锁。为了避免这种锁陷阱，需要在拥有自旋锁时禁止中断），不能放弃CPU（如休眠，休眠可发生在许多无法预期的地方）。否则CPU将有可能永远自旋下去（死机）。
（2）拥有自旋锁的时间越短越好。
自旋锁原语所需包含的文件是
,以下是自旋锁的内核API:
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spinlock_t my_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;/* 编译时初始化spinlock*/
void spin_lock_init(spinlock_t *lock);/* 运行时初始化spinlock*/
/* 所有spinlock等待本质上是不可中断的，一旦调用spin_lock，在获得锁之前一直处于自旋状态*/
void spin_lock(spinlock_t *lock);/* 获得spinlock*/
void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags);/* 获得spinlock，禁止本地cpu中断，保存中断标志于flags*/
void spin_lock_irq(spinlock_t *lock);/* 获得spinlock,禁止本地cpu中断*/
void spin_lock_bh(spinlock_t *lock)/* 获得spinlock,禁止软件中断，保持硬件中断打开*/
/* 以下是对应的锁释放函数*/
void spin_unlock(spinlock_t *lock);
void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags);
void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock);
void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock);
/* 以下非阻塞自旋锁函数，成功获得，返回非零值；否则返回零*/
int spin_trylock(spinlock_t *lock);
int spin_trylock_bh(spinlock_t *lock);
/*新内核的包含了更多函数*/
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