Linux設備驅動中的并發控制

并發指的是多個執行單元同時、并行被執行，而并發的執行單元對共享資源的訪問則很容易導致競態

linux內核中主要競態
1.多對稱處理器的多個CPU? 2.單CPU內進程與搶占它的進程 3.中斷（硬中斷、軟中斷、Tasklet、下半部）與進程之間
訪問共享內存資源的代碼區稱為“臨界區”，臨界區需要被以某種互斥機制加以保護，中斷屏蔽、原子操作、自旋鎖和信號量等
是linux設備驅動中可采用的互斥途徑。

這幾個互斥的介紹：

1.中斷屏蔽，這個主要用于單CPU，中斷屏蔽將使得中斷和進程之間的并發不再發生。使用方法：

local_irq_disable();//屏蔽中斷
...
...
臨界區
...
local_irq_enable();//開中斷
由于linux的異步IO、進程調度等很多重要的操作都依賴于中斷，中斷對于內核的運行非常重要，在屏蔽中斷期間所有的中斷都無法處理，
因此長時間的屏蔽中斷很危險，有可能導致數據丟失甚至系統崩潰。所以這個不作為重點討論。

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2.原子操作，原子操作是一系列的不能被打斷的操作。linux內核提供了一系列的函數來實現內核中的原子操作，這些函數分為2類，分別針對位和整型變量
進行原子操作。
實現原子操作的步驟：

1.定義原子變量并設置變量值
void atomic_set(atomic_t *v , int i); //設置原子變量值為i
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);?//定義原子變量v，初始化為0
2.獲取原子變量的值
atomic_read(atomic_t *v);
3.原子變量加減操作
void atomic_add(int i,atomic_t *v);//原子變量加i
void atomic_sub(int i ,atomic_t *v);//原子變量減i
4.原子變量自增/自減
void atomic_inc(atomic_t *v);//自增1
void atomic_dec(atomic_t *v);//自減1
5.操作并測試：對原子變量執行自增、自減后（沒有加）測試其是否為0，如果為0返回true，否則返回false。
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);
6.操作并返回
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);

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3.自旋鎖
自旋鎖是一個忙鎖，它在一個小的循環內不斷的重復測試并設置的操作。
自旋鎖保護臨界區的特點：臨界區要小，并且臨界區內不能有導致睡眠的操作，否則可能引起系統崩潰。自旋鎖可能導致系統死鎖，
引發這個問題最常見的情況是遞歸使用一個自旋鎖。

自旋鎖的操作步驟：

1.定義自旋鎖
spinlock_t lock;
2.初始化自旋鎖
spin_lock_init(lock);這是個宏，它用于動態初始化自旋鎖lock；
3.獲得自旋鎖
spin_lock(lock);該宏用于加鎖，如果能夠立即獲得鎖，它就能馬上返回，否則，他將自旋在那里，直到該自旋鎖的保持者釋放。
spin_trylock(lock);能夠獲得，則返回真，否則返回假，實際上是不在原地打轉而已。
4.釋放自旋鎖
spin_unlock(lock);
與上面的兩個配對使用。
例子：

spinlock_t lock;
spin_lock_init(&lock);
spin_lock(&lock);? //獲取自旋鎖，保護臨界區

。。。。臨界區

spin_unlock(&lock);//釋放自旋鎖

自旋鎖不關心鎖定的臨界區究竟是如何執行的。不管是讀操作還是寫操作，實際上，對共享資源進行讀取的時候是應該可以允許多個執行單元同時
訪問的，那么這樣的話，自旋鎖就有了弊端。于是便衍生出來一個讀寫鎖。

它保留了自旋的特性，但在對操作上面可以允許有多個單元進程同時操作。當然，讀和寫的時候不能同時進行。

現在又有問題了，如果我第一個進程寫共享資源，第二個進程讀的話，一旦寫了，那么就讀不到了，可能寫的東西比較多，但是第二個進程讀很小，那么
能不能第一個進程寫的同時，我第二個進程讀呢？
當然可以，那么引出了順序鎖的概念。都是一樣的操作。

主要操作：

1.定義sem信號量
struct semaphore sem;
2.初始化信號量
void sema_init(struct semaphore *sem, int val);
初始化信號量，并設置sem的值為val
初始化的時候還可以這樣用，init_MUTEX(sem),這是個宏 #define init_MUTEX(sem) sema_init(sem , 1)
?????? init_MUTEX_LOCKED(sem),這是個宏 #define init_MUTEX_LOCKED(sem) sema_init(sem , 0)

3.獲得信號量
void down(struct semaphore * sem);
該函數用于獲得信號量sem，他會導致睡眠，所以不能在中斷中使用。
int down_interruptible(struct semaphore* sem);
與上面功能類似，因為down進入睡眠狀態的進程不能被信號打斷，而它能被信號打斷，信號也會導致該函數返回。
int down_trylock(struct semaphore * sem);

4.釋放信號量
void up(struct semaphore * sem);
該函數用于釋放信號量，同時喚醒等待者。
信號量一般這樣使用：

DECLARE_MUTEX(sem);

down(&sem);

.....臨界區

up(&sem);

linux自旋鎖和信號量采用的“獲取鎖-訪問臨界區-釋放鎖”的方式。

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5.互斥體

互斥體和信號量基本上差不多。不介紹了。

總結：并發和競態廣泛存在，這幾個機制是解決問題的好方法，中斷屏蔽很少單獨使用，原子操作只能針對整數進行，因此，自旋鎖和信號量應用最為廣泛。
自旋鎖會導致死循環，鎖定期間不允許阻塞，因此要求鎖定的臨界區要小。信號量允許臨界區阻塞，可以適用于臨界區較大的情況。讀寫自旋鎖和讀寫信號量是
放寬了條件的自旋鎖和信號量，他們允許多個進程并發的讀取共享空間。

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