四、锁之外的办法
（1）免锁算法
经常用于免锁的生产者/消费者任务的数据结构之一是循环缓冲区。它在设备驱动程序中相当普遍，如以前移植的网卡驱动程序。内核里有一个通用的循环缓冲区的实现在 。
（2）原子变量
完整的锁机制对一个简单的整数来讲显得浪费。内核提供了一种原子的整数类型，称为atomic_t，定义在
。原子变量操作是非常快的， 因为它们在任何可能时编译成一条单个机器指令。
以下是其接口函数：
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void atomic_set(atomic_t *v, int i); /*设置原子变量 v 为整数值 i.*/
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0); /*编译时使用宏定义 ATOMIC_INIT 初始化原子值.*/
int atomic_read(atomic_t *v); /*返回 v 的当前值.*/
void atomic_add(int i, atomic_t *v);/*由 v 指向的原子变量加 i. 返回值是 void*/
void atomic_sub(int i, atomic_t *v); /*从 *v 减去 i.*/
void atomic_inc(atomic_t *v);
void atomic_dec(atomic_t *v); /*递增或递减一个原子变量.*/
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);
/*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_add_negative(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_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);
/*像 atomic_add 和其类似函数, 除了它们返回原子变量的新值给调用者.*/
|
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。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）位操作
内核提供了一套函数来原子地修改或测试单个位。原子位操作非常快, 因为它们使用单个机器指令来进行操作, 而在任何时候低层平台做的时候不用禁止中断. 函数是体系依赖的并且在
中声明. 以下函数中的数据是体系依赖的.
nr 参数(描述要操作哪个位)在ARM体系中定义为unsigned int：
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void set_bit(nr, void *addr); /*设置第 nr 位在 addr 指向的数据项中。*/
void clear_bit(nr, void *addr); /*清除指定位在 addr 处的无符号长型数据.*/
void change_bit(nr, void *addr);/*翻转nr位.*/
test_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.*/
/*以下原子操作如同前面列出的, 除了它们还返回这个位以前的值.*/
inttest_and_set_bit(nr, void *addr);
int test_and_clear_bit(nr, void *addr);
int test_and_change_bit(nr, void *addr); |
以下是一个使用范例：
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/* try to set lock */
while (test_and_set_bit(nr, addr) != 0)
wait_for_a_while();
/* do your work */
/* release lock, and check. */
if (test_and_clear_bit(nr, addr) == 0)
something_went_wrong(); /* already released: error */
|
（4）seqlock
2.6内核包含了一对新机制打算来提供快速地， 无锁地存取一个共享资源。 seqlock要保护的资源小， 简单， 并且常常被存取， 并且很少写存取但是必须要快。seqlock 通常不能用在保护包含指针的数据结构。seqlock 定义在 。
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/*两种初始化方法*/
seqlock_t lock1 = SEQLOCK_UNLOCKED;
seqlock_t lock2;
seqlock_init(&lock2);
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这个类型的锁常常用在保护某种简单计算,读存取通过在进入临界区入口获取一个(无符号的)整数序列来工作. 在退出时, 那个序列值与当前值比较; 如果不匹配, 读存取必须重试.读者代码形式:
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unsigned int seq;
do {
seq = read_seqbegin(&the_lock);
/* Do what you need to do */
} while read_seqretry(&the_lock, seq);
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如果你的 seqlock 可能从一个中断处理里存取, 你应当使用 IRQ 安全的版本来代替:
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unsigned int read_seqbegin_irqsave(seqlock_t *lock, unsigned long flags);
int read_seqretry_irqrestore(seqlock_t *lock, unsigned int seq, unsigned long flags);
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写者必须获取一个排他锁来进入由一个 seqlock 保护的临界区，写锁由一个自旋锁实现， 调用:
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void write_seqlock(seqlock_t *lock);
void write_sequnlock(seqlock_t *lock);
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因为自旋锁用来控制写存取, 所有通常的变体都可用:
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void write_seqlock_irqsave(seqlock_t *lock, unsigned long flags);
void write_seqlock_irq(seqlock_t *lock);
void write_seqlock_bh(seqlock_t *lock);
void write_sequnlock_irqrestore(seqlock_t *lock, unsigned long flags);
void write_sequnlock_irq(seqlock_t *lock);
void write_sequnlock_bh(seqlock_t *lock);
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还有一个 write_tryseqlock 在它能够获得锁时返回非零.
（5）读取-复制-更新
读取-拷贝-更新(RCU) 是一个高级的互斥方法, 在合适的情况下能够有高效率. 它在驱动中的使用很少。
五、开发板实验
在我的SBC2440V4开发板上作completion的实验，因为别的实验都要在并发状态下才可以实验，所以本章的我只做了completion的实验。我将《Linux设备驱动程序（第3版）》提供的源码做了修改，将原来的2.4内核的模块接口改成了2.6的接口，并编写了测试程序。实验源码如下：
模块程序链接：complete模块
模块测试程序链接：测试程序
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[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod complete.ko
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#echo 8 > /proc/sys/kernel/printk
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cat /proc/devices
Character devices:
1 mem
2 pty
3 ttyp
4 /dev/vc/0
4 tty
4 ttyS
5 /dev/tty
5 /dev/console
5 /dev/ptmx
7 vcs
10 misc
13 input
14 sound
81 video4linux
89 i2c
90 mtd
116 alsa
128 ptm
136 pts
180 usb
189 usb_device
204 s3c2410_serial
252 complete
253 usb_endpoint
254 rtc
Block devices:
1 ramdisk
256 rfd
7 loop
31 mtdblock
93 nftl
96 inftl
179 mmc
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 /dev/complete c 252 0
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /tmp/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./completion_testr&
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#process 814 (completion_test) going to sleep
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./completion_testr&
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#process 815 (completion_test) going to sleep
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#ps
PID Uid VSZ Stat Command
1 root 1744 S init
2 root SW< [kthreadd]
3 root SWN [ksoftirqd/0]
4 root SW< [watchdog/0]
5 root SW< [events/0]
6 root SW< [khelper]
59 root SW< [kblockd/0]
60 root SW< [ksuspend_usbd]
63 root SW< [khubd]
65 root SW< [kseriod]
77 root SW [pdflush]
78 root SW [pdflush]
79 root SW< [kswapd0]
80 root SW< [aio/0]
707 root SW< [mtdblockd]
708 root SW< [nftld]
709 root SW< [inftld]
710 root SW< [rfdd]
742 root SW< [kpsmoused]
751 root SW< [kmmcd]
769 root SW< [rpciod/0]
778 root 1752 S -sh
779 root 1744 S init
781 root 1744 S init
782 root 1744 S init
783 root 1744 S init
814 root 1336 D ./completion_testr
815 root 1336 D ./completion_testr
816 root 1744 R ps
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./completion_testw
process 817 (completion_test) awakening the readers...
awoken 814 (completion_test)
write code=0
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#read code=0
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#ps
PID Uid VSZ Stat Command
1 root 1744 S init
2 root SW< [kthreadd]
3 root SWN [ksoftirqd/0]
4 root SW< [watchdog/0]
5 root SW< [events/0]
6 root SW< [khelper]
59 root SW< [kblockd/0]
60 root SW< [ksuspend_usbd]
63 root SW< [khubd]
65 root SW< [kseriod]
77 root SW [pdflush]
78 root SW [pdflush]
79 root SW< [kswapd0]
80 root SW< [aio/0]
707 root SW< [mtdblockd]
708 root SW< [nftld]
709 root SW< [inftld]
710 root SW< [rfdd]
742 root SW< [kpsmoused]
751 root SW< [kmmcd]
769 root SW< [rpciod/0]
778 root 1752 S -sh
779 root 1744 S init
781 root 1744 S init
782 root 1744 S init
783 root 1744 S init
815 root 1336 D ./completion_testr
818 root 1744 R ps
[1] - Done ./completion_testr
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./completion_testw
process 819 (completion_test) awakening the readers...
awoken 815 (completion_test)
write code=0
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#read code=0
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#ps
PID Uid VSZ Stat Command
1 root 1744 S init
2 root SW< [kthreadd]
3 root SWN [ksoftirqd/0]
4 root SW< [watchdog/0]
5 root SW< [events/0]
6 root SW< [khelper]
59 root SW< [kblockd/0]
60 root SW< [ksuspend_usbd]
63 root SW< [khubd]
65 root SW< [kseriod]
77 root SW [pdflush]
78 root SW [pdflush]
79 root SW< [kswapd0]
80 root SW< [aio/0]
707 root SW< [mtdblockd]
708 root SW< [nftld]
709 root SW< [inftld]
710 root SW< [rfdd]
742 root SW< [kpsmoused]
751 root SW< [kmmcd]
769 root SW< [rpciod/0]
778 root 1752 S -sh
779 root 1744 S init
781 root 1744 S init
782 root 1744 S init
783 root 1744 S init
820 root 1744 R ps
[2] + Done ./completion_testr
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#ps
PID Uid VSZ Stat Command
1 root 1744 S init
2 root SW< [kthreadd]
3 root SWN [ksoftirqd/0]
4 root SW< [watchdog/0]
5 root SW< [events/0]
6 root SW< [khelper]
59 root SW< [kblockd/0]
60 root SW< [ksuspend_usbd]
63 root SW< [khubd]
65 root SW< [kseriod]
77 root SW [pdflush]
78 root SW [pdflush]
79 root SW< [kswapd0]
80 root SW< [aio/0]
707 root SW< [mtdblockd]
708 root SW< [nftld]
709 root SW< [inftld]
710 root SW< [rfdd]
742 root SW< [kpsmoused]
751 root SW< [kmmcd]
769 root SW< [rpciod/0]
778 root 1752 S -sh
779 root 1744 S init
781 root 1744 S init
782 root 1744 S init
783 root 1744 S init
821 root 1744 R ps
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./completion_testw
process 822 (completion_test) awakening the readers...
write code=0
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./completion_testr
process 823 (completion_test) going to sleep
awoken 823 (completion_test)
read code=0
|
实验表明：如果先读数据，读的程序会被阻塞（因为驱动在wait_for_completion，等待写的完成）。如果先写，读程序会比较顺利的执行下去（虽然也会休眠，但马上会被唤醒！）。其原因可以从completion的源码中找答案。completion其实就是自旋锁的再包装，具体细节参见completion的源码。