linux并发concurrency控制

解决竞态（race conditions）最根本的途径是对共享资源的互斥访问，访问共享资源的代码区被称为临界区（critical sections），对临界区的代码需要以某种互斥机制加以保护。
常见的互斥机制有：中断屏蔽、原子操作、自旋锁、信号量、互斥体。

1. 中断屏蔽
由于linux内核的进程调度和异步IO等操作都是依赖中断来实现的，所以中断屏蔽也可以避免内核强占进程之间的竞态发生。
定义在linux/irqflags.h，实现在asm/irqflags.h中。
local_irq_disable();
local_irq_enable();

local_irq_save(flags);
local_irq_restore(flags);

local_bh_disable();
local_bh_enable();

2. 原子操作
原子操作分类：整型原子操作和位原子操作
整型原子操作
asm/atomic.h
void atomic_set(atomic_t *v, int i);
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);
atomic_read(atomic_t *v);
void atomic_add(int i, atomic_t *v);
void atomic_sub(int i, atomic_t *v);
void atomic_inc(atomic_t *v);
void atomic_dec(atomic_t *v);
int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);
int atomic_sub_and_test(atomic_t *v);
操作后测试是否为0，为0返回true，否则返回false。
int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);
操作后返回新值。

位原子操作
asm/bitops.h
void set_bit(nr, void *addr);
void clear_bit(nr, void *addr);
void change_bie(nr, void *addr);
test_bit(nr, void *addr);
int test_and_set_bit(nr, void *addr);
int test_and_clear_bit(nr, void *addr);
int test_and_change_bit(nr, void *addr);

3. 自旋锁
1）自旋锁主要针对SMP或单CPU且内核可强占的情况，对于单CPU且内核不可强占的系统自旋锁退化为空操作。
2）在单CPU且内核可强占的系统中，自旋锁持有期间内核的强占被禁止。

使用注意：
1）不能递归持有自旋锁。
2）持有自旋锁后不能阻塞。

linux/spinlock_types.h
spinlock_t lock;
spin_lock_init(&lock);
spin_lock(&lock);
spin_trylock(&lock);
spin_unlock(&lock);

spin_lock_irq();
spin_unlock_irq();
spin_lock_irqsave();
spin_unlock_irqrestore();
spin_lock_bh();
spin_unlock_bh();

读写自旋锁
写操作时最多只能有一个写进程。
顺序锁

4. 信号量
linux/semaphore.h，实现在ipc/sem.c和kernel/semaphore.c中。
struct semaphore sem;
void sema_init(struct semaphore *sem, int val);
void down(struct semaphore *sem);
int down_interruptible(struct semaphore *sem);
int down_trylock(struct semaphore *sem);
void up(struct semaphore *sem);

5. 互斥体
linux/mutex.h       kernel/mutex.c
struct mutex mymutex;
mutex_init(&mymutex);
void fastcall mutex_lock(struct mutex *lock);
int fastcall mutex_lock_interruptible(struct mutex *lock);
int fastcall mutex_trylock(struct mutex *lock);
void fastcall mutex_unlock(struct mutex *lock);

总结
1、信号量是进程级的，用于多个进程之间对资源的互斥。如果竞争失败，会发生进程上下文切换，当前进程进入休眠状态。
2、自旋锁得不到锁时会在原地自旋一直到获取锁，它节省了上下文的切换时间，所以一般用于要保护的临界区访问时间比较短的时候，否则会降低系统效率。

自旋锁和信号量选用原则
1、临界区执行时间比较小时，采用自旋锁，否则使用信号量。
2、信号量所包含的临界区包含可能引起阻塞的代码，而自旋锁要绝对避免在临界区使用阻塞代码。
3、信号量运用进程上下文，若要运于中断中，应用down_trylock()方式进行，不能获取就立即返回，避免阻塞。

 

参考：

1. linux设备驱动开发详解 宋宝华

2. linux并发控制