Linux设备驱动并发控制详解（自旋锁，信号量）
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作者：
jinhaijun 提交日期：2008-3-12 14:08:00
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link:http://www.emb-cn.com/webelec/article/15/79/Article_1767.htm
content:
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）。
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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）。
一、自旋锁是什么？
先进行下简单科普，自旋锁是一种轻量级的多处理器间的同步机制。因此，自旋锁对于单处理器是没有实际意义的。它要求持有锁的处理器所占用的时间尽可能短，因为此时别的处理器正在高速运转并等待锁的释放，所以不能长时间占有。
曾经有个经典的例子来比喻自旋锁：A，B两个人合租一套房子，共用一个厕所，那么这个厕所就是共享资源，且在任一时刻最多只能有一个人在使用。当厕所闲置时，谁来了都可以使用，当A使用时，就会关上厕所门，而B也要使用，但是急啊，就得在门外焦急地等待，急得团团转，是为“自旋”，呵呵。这个比喻还算恰当吧，大家也明白为什么要求锁的持有时间尽量短了吧！尤其b4占着茅坑不拉屎的行为~~:D:
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，会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。在两个终端中调用./globalvartest.o测试程序，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"，如下图：
转载于:https://blog.51cto.com/yehubilee/956322