字符驱动之七同步操作

     前面说到内核并发和竞争导致了共享数据容易被破坏，甚者造成程序功能不可

 

预知的效果。因此在我们设计驱动时在任何时候应该避免共享资源；应尽量避免使

 

用全局变量。再者在任何时候共享资源被两个或者两个以上的线程，并且可能存在

 

一个线程看到那个资源的不一致时, 你必须明确地管理对那个资源的存取.所以内核

 

提供了对保护共享数据的机制==>同步操作。

 

    1)原子操作

 

    2)自旋锁

 

    3)信号量

 

    1、原子操作

 

    何谓原子操作：是不可分割的，在执行完毕不会被任何其它任务或事件中断。

 

同时它需要硬件支持,而且与架构相关，不能纯粹由软件来实现。

 

    原子操作主要运用实现计数器，简单的计数要采用锁来同步，对系统的开销相

 

对比较大的啊。

 

   原子操作方法：

  

  

1、atomic_t 数据项必须通过这些函数存取. 如果你传递一个原子项给一
   个期望一个整数参数的函数, 你会得到一个编译错误.
2、你还应当记住, atomic_t 值只在当被置疑的量真正是原子的时候才起作用.
   需要多个 atomic_t 变量的操作仍然需要某种其他种类的加锁.
3、for example：
   atomic_sub(amount, &first_atomic);
   atomic_add(amount, &second_atomic);
   从第一个原子值中减去 amount, 但是还没有加到第二个时, 存在一段时间. 如果事情的
   这个状态可能产生麻烦给可能在这 2 个操作之间运行的代码, 某种加锁必须采用.

头文件：
#include <asm/atomic.h>
/*
 *设置原子变量 v 为整数值 i.
 *你也可在编译时使用宏定义 ATOMIC_INIT 初始化原子值.
 */
 ATOMIC_INIT(int i)
void atomic_set(atomic_t *v)

/*
 *读取变量 v 的值.
 */
int atomic_read(atomic_t *v)

/*
 *由 v 指向的原子变量加 /减 i. 返回值是 void, 因为有一个额外的开销来返回新值,
 *并且大部分时间不需要知道它.
 */
void atomic_add(int i, atomic_t *v)
void atomic_sub(int i, atomic_t *v)

/*
 *由 v 指向的原子变量加 /减 1
 */
void atomic_inc(atomic_t *v)
void atomic_dec(atomic_t *v)

/*
 *它们返回原子变量的新值给调用者
 */
int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)
int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v)
int atomic_inc_return(atomic_t *v)
int atomic_dec_return(atomic_t *v)
/*
 *进行一个特定的操作并且测试结果; 如果, 在操作后, 原子值是 0, 那么返回值是
 *真; 否则, 它是假. 注意没有 atomic_add_and_test.
 */
int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)
int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v)

/*
 *加整数变量 i 到 v. 如果结果是负值返回值是真, 否则为假.
 */
int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v)

【位原子操作】
/*
 *设置第 nr 位在 addr 指向的数据项中
 */
void set_bit(nr, void *addr);

/*
 *清除指定位在 addr 处的无符号长型数据. 它的语义与 set_bit 的相反.
 */
void clear_bit(nr, void *addr);

/*
 *翻转这个位.
 */
void change_bit(nr, void *addr);

/*
 *这个函数是唯一一个不需要是原子的位操作; 它简单地返回这个位的当前值.
 */
test_bit(nr, void *addr);

/*
 *原子地动作如同前面列出的, 除了它们还返回这个位以前的值
 */
int test_and_set_bit(nr, void *addr);
int test_and_clear_bit(nr, void *addr);
int test_and_change_bit(nr, void *addr);

    2、自旋锁

 

    何谓自旋锁：它是为为实现保护共享资源而提出一种锁机制。一个执行单元要

 

想访问被自旋锁保护的共享资源，必须先得到锁，在访问完共享资源后，必须释放

 

锁。如果在获取自旋锁时，没有任何执行单元保持该锁，那么将立即得到锁；如果

 

在获取自旋锁时锁已经有保持者，那么获取锁操作将自旋在那里，直到该自旋锁的

 

保持者释放了锁。

 

    [NOTE]自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。

 

无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任

 

何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互

 

斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起

 

调用者睡眠。

 

    [初衷]在短期间内进行轻量级的锁定。一个被争用的自旋锁使得请求它的线程

 

在等待锁重新可用的期间进行自旋(特别浪费处理器时间)，所以自旋锁不应该被持

 

有时间过长。如果需要长时间锁定的话, 最好使用信号量。

 

    自旋锁操作方法：

【使用方法】
1、初始化
2、加锁
3、解锁

spinlock_t my_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
void spin_lock_init(spinlock_t *lock);

void spin_lock(spinlock_t *lock);
void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags);
void spin_lock_irq(spinlock_t *lock);
void spin_lock_bh(spinlock_t *lock);

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);

    3、信号量

   

    信号量是一种睡眠锁，若你试图想要获取一个已被争用的信号量时，就会被推

 

到一个等待队列中，睡眠直到重新被唤醒。

   

    由于信号量是一种睡眠锁，它就有以下几点特征：

 

    (1)它运用于进程上下文中，因为原子上下文和中断上下文均不可睡眠，重新被

 

调度。

 

    (2)使用信号量的时候，不能使用自旋锁，因为持有自旋锁的进程必须不可睡眠

 

而且持锁时间要短。

 

    (3)信号量可以允许多个进程拥有锁持有者，这些进程只是会睡眠而不会造成死

 

锁；而自旋锁在任何时刻只能允许被一个任务持有。

    

    (4)自旋锁一般在同一进程或者同一线程成对出现，而非由跨越进程或线程；

 

而信号量则相反。

 

     信号量使用方法：

【使用方法】
1、定义和初始化
2、睡眠
3、唤醒

头文件：
#include <asm/semaphore.h>

void sema_init(struct semaphore *sem, int val)
/*
 *互斥锁
 */
void init_MUTEX(struct semaphore *sem);
void init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *sem);

/*
 *down 递减旗标值并且等待需要的时间
 */
void down(struct semaphore *sem);

/*
 *down_interruptible 递减旗标值并且等待需要的时间;但可中断的
 *如果操作是可中断的, 函数返回一个非零值, 并且调用者不持有旗标.
 *正确的使用 down_interruptible 需要一直检查返回值并且针对性地响应.
 */【-ERESTARTSYS】
int down_interruptible(struct semaphore *sem);

/*
 *( down_trylock ) 从不睡眠;
 *如果旗标在调用时不可用, down_trylock 立刻返回一个非零值.
 */
int down_trylock(struct semaphore *sem)

/*
 *一旦 up 被调用, 调用者就不再拥有旗标.
 */
void up(struct semaphore *sem);


【读写信号量】
头文件：
#include <linux/rwsem.h>

void init_rwsem(struct rw_semaphore *sem);

void down_read(struct rw_semaphore *sem);
int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem);
void up_read(struct rw_semaphore *sem);

void down_write(struct rw_semaphore *sem);
int down_write_trylock(struct rw_semaphore *sem);
void up_write(struct rw_semaphore *sem);
void downgrade_write(struct rw_semaphore *sem);

     

    4、完成变量

 

    完成变量是协调两个任务之间关系的简单操作，比如说任务A发出通知，告诉任

 

务B我已经完成操作，你可以继续往下做。正常情况下，完成变量大多数运用于单一

 

设备，使用一次就放弃的。

 

   

头文件：
#include <linux/completion.h>

struct completion
{
    unsigned int done;
    wait_queue_head_t wait;
};

INIT_COMPLETION(struct completion c);
void init_completion(struct completion *c);

void wait_for_completion(struct completion *c);

void complete(struct completion *c);
void complete_all(struct completion *c);

void complete_and_exit(struct completion *c, long retval);