Linux设备驱动程序--并发和竞态(信号量和原子操作)

                        Linux设备驱动程序
                            --并发和竞态（信号量和原子操作）
一、并发和竞态、信号量

    这部分内容tekkamanninja在其博客Linux设备驱动程序学习（3）-并发和竞态中作了较为全面的描述，结合国嵌中的一个例子，进行了简单的实验，后结合韦东山老师第一期教程的最后一课进行了更新，增加了按键驱动信号量的操作。并发：多个执行单元同时被执行。竞态：并发的执行单元对共享资源(硬件资源和软件上的全局变量等)的访问导致的竞争状态。
    竞态通常作为对资源的共享访问结果而产生。设计自己的驱动程序时，应该避免资源的共享。访问管理的常见技术称为“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。内核提供了锁定机制避免资源的共享，但并不是所有的锁定机制都可用，合适的机制是信号量。
    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。--- 韦东山视频教程。
 
        SMP: Symmetric Multiprocessing(对称多处理)。

二、Linux信号量的实现
    要使用信号量，内核代码必须包括下面头文件
            #include         
    ① 信号量的定义，相关的类型：
            struct semaphore sem;
    ② 信号量必须在设备对系统其他部分可用前被初始化。
            static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val);    //直接创建信号量
        2.6.25及以后的linux内核版本废除了init_MUTEX函数，老版本内核扔可以使用。
            static inline void init_MUTEX(struct semaphore *sem);

        信号量用于互斥模式：
            定义一个互斥锁，并初始化为1
                #define DECLARE_MUTEX(name) __DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name,1)
            定义一个互斥锁，并初始化为0
                #define DECLARE_MUTEX_LOCKED(name) __DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name,0)
    ③ 信号量的获取，在Open方法中使用，
            static inline void down(struct semaphore * sem);
            static inline int down_interruptible (struct semaphore * sem); //建议使用
            static inline int down_trylock(struct semaphore *sem);
        2.6.25及以后的linux内核版本
            int down_killable(struct semaphore *sem)

    ④ 信号量的释放，在close方法中实现。该函数释放信号量sem，唤醒等待者。
        static inline void up(struct semaphore * sem);
下图截取自《Linux设备驱动开发详解》第二版
                  
    互斥锁，只允许只有一个持有者的信号量。

三、信号量使用示例

    信号量的一个例子，来自国嵌semaphore.rar
    信号量的另一个例子，使用信号量实现设备只能被一个进程打开，实验平台：mini2440，完整代码buttons_int_semaphore.rar。
        ①.  static DECLARE_MUTEX(button_lock);     //第一步：定义信号量(互斥锁)；
        ②.  down_interruptible(&button_lock);      //open方法中获取信号量；
        ③.  up(&button_lock);                      //close方法中释放信号量；
驱动程序buttons_int_semaphore_drv.c

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

#define        DEVICE_NAME        "mini2440_buttons" //设备名称

static struct class *buttons_int_semaphore_drv_class;
static struct class_device *buttons_int_semaphore_drv_class_dev;



static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);    //等待队列:当没有按键被按下时，如果有进程调用buttons_int_fasync_drv_read函数，它将休眠
static volatile int ev_press = 0;                //中断事件标志, 中断服务程序将它置1，s3c24xx_buttons_read将它清0
static unsigned  char key_val;                    //保存键值

//static DECLARE_MUTEX(button_lock); //第一步：定义信号量(互斥锁)
struct semaphore button_lock;
static struct fasync_struct *buttons_async;

//引脚描述结构体
struct pin_desc{
    unsigned int pin;
    unsigned int key_value;
};
//管脚数组，按键赋键值，按下时是0x01,松开是0x81(最高位为1)
struct pin_desc pins_desc[6] = {
        {S3C2410_GPG0, 0x01},
        {S3C2410_GPG3, 0x02},
        {S3C2410_GPG5, 0x03},
        {S3C2410_GPG6, 0x04},
        {S3C2410_GPG7, 0x05},
        {S3C2410_GPG11,0x06},
};

//确定按键值
static irqreturn_t buttons_irq(int irq, void *dev_id)
{
    //printk("irq = %d\n",irq);
    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_value;
    }
    else
    {
        //按下
        key_val = pindesc->key_value;
    }
    ev_press = 1;
    wake_up_interruptible(&button_waitq);
    //kill_fasync(struct fasync_struct * * fp, int sig, int band)
    kill_fasync (&buttons_async, SIGIO, POLL_IN);
    return IRQ_HANDLED;
}

static int buttons_int_semaphore_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    int ret;
    /*open方法中获取信号量，第一次执行可以获取信号量，第二个进程在第一个进程没有释放信号量是无法open*/
    down_interruptible(&button_lock);
    ret = request_irq(IRQ_EINT8, buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY1",&pins_desc[0]);    //pins_desc[0]传递给buttons_irq
    ret = request_irq(IRQ_EINT11,buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY2",&pins_desc[1]);
    ret = request_irq(IRQ_EINT13,buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY3",&pins_desc[2]);
    ret = request_irq(IRQ_EINT14,buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY4",&pins_desc[3]);
    ret = request_irq(IRQ_EINT15,buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY5",&pins_desc[4]);
    ret = request_irq(IRQ_EINT19,buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY6",&pins_desc[5]);
    return 0;
}

ssize_t buttons_int_semaphore_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
    int ret;
    if(size != 1)            //读取单个按键
        return -EINVAL;

    wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);    //如果没有按键动作，休眠，让出CPU
    ret = copy_to_user(buf, &key_val, 1);                //返回键值
    ev_press = 0;
    return 1;
}

int buttons_int_semaphore_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
    free_irq(IRQ_EINT8, &pins_desc[0]);
    free_irq(IRQ_EINT11,&pins_desc[1]);
    free_irq(IRQ_EINT13,&pins_desc[2]);
    free_irq(IRQ_EINT14,&pins_desc[3]);
    free_irq(IRQ_EINT15,&pins_desc[4]);
    free_irq(IRQ_EINT19,&pins_desc[5]);
    up(&button_lock);
    return 0;
}

static unsigned buttons_int_semaphore_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 buttons_int_semaphore_drv_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
{
    printk("driver:buttons_int_fasync_drv_fasync\n");
    return fasync_helper (fd, filp, on, &buttons_async);
}

static struct file_operations buttons_int_fasync_drv_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = buttons_int_semaphore_drv_open,
    .read = buttons_int_semaphore_drv_read,
    .release = buttons_int_semaphore_drv_close,
    .poll = buttons_int_semaphore_drv_poll,
    .fasync = buttons_int_semaphore_drv_fasync,
};

int major;
static int __init buttons_int_semaphore_drv_init(void)
{
    major = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &buttons_int_fasync_drv_fops);
    if(major < 0)
    {
        printk(DEVICE_NAME "\t can't register major number!\n");
    }
    buttons_int_semaphore_drv_class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);
    buttons_int_semaphore_drv_class_dev = class_device_create(buttons_int_semaphore_drv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, DEVICE_NAME); /* /dev/mini2440_buttons */
    sema_init(&button_lock,1);
    printk(DEVICE_NAME"\t initialized!\n");
    return 0;
}
static void __exit buttons_int_semaphore_drv_exit(void)
{
    unregister_chrdev(major, DEVICE_NAME);
    class_device_unregister(buttons_int_semaphore_drv_class_dev);
    class_destroy(buttons_int_semaphore_drv_class);
}

module_init(buttons_int_semaphore_drv_init);
module_exit(buttons_int_semaphore_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

测试程序buttons_int_semaphore_drv_test.c

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

int fd;            //全局变量

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)
{
    int ret;
    int Oflags;

    signal(SIGIO,my_signal_fun);

    fd = open("/dev/mini2440_buttons", O_RDWR);
    if(fd < 0)
    {
        printf("can't open\n");
        return -1;            //无法打开
    }
    //fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); // 告诉内核，发给谁
    //Oflags = fcntl(fd, F_GETFL);
    //fcntl(fd, F_SETFL, Oflags | FASYNC); // 改变fasync标记，最终会调用到驱动的faync > fasync_helper：初始化/释放fasync_struct

    while(1)
    {
        //sleep(1000);
    }
    return 0;
}

测试结果：
        
        执行两个application时，两个进程一个是可执行的R状态，一个是休眠的S状态，当把第一个可执行的进程杀掉之后释放信号量，第二个进程获得信号量变为可执行的R状态。验证了上面的分析。

四、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。
    Linux 内核提供了一系列函数来实现内核中的原子操作，这些函数又分为两类，分别针对位和整型变量进行原子操作。
它们的共同点是在任何情况下操作都是原子的，内核代码可以安全地调用它们而不被打断。位和整型变量原子操作都依赖底层CPU 的原子操作来实现，
因此所有这些函数都与CPU架构密切相关。--- 《Linux设备驱动开发详解》。
    
 原子变量的一个示例atomic.rar

结果可以看出只有一个应用程序可以打开设备。