8、Linux设备驱动的并发控制
一、并发与竞争
并发是指多个 多个执行单元同时执行，而这对对共享的资源，比如硬件的资源、软件的全局变量、静态变量 的访问，很容易导致竞态，
1.1、中断屏蔽
在单核的 CPU 里，避免竞态的一个简单有效的方法是，在进入临界区之前，就屏蔽系统的中断。也就是说，在进入临界区之前，中断被关闭，使得中断与进程之间的并发不会发生，而且，因为进程的调度器是依赖于中断来实现的，没有了中断，进程就不能被切换，保证了进程之间的并发不会发生。
方法：
local_irq_disable()
XXXXX 临界区的代码
local_irq_enable()
虽然 local_irq_disable() 和 local_irq_enable() 可以关闭本 CPU 的中断，但是在 多核的 CPU里面，并不能解决问题，因为 它们只能禁止和使能本 CPU 的中断，并不能解决多 CPU 引发的竞争，所以在多个的里面，一般是将关闭中断的方法与 自旋锁 结合使用。
如果指向禁止中断的底部，在应该使用 locak_bh_disable() ，使能的是， local_bh_enable();
1.2、原子操作
原子操作，可以保证对一个整型数据的修改的排他性，也就是说，原子操作是对一个数据进行操作，操作的过程，是不会被线程的调度机制给打断，也就是说，一旦开始，是绝对不会睡眠和阻塞的，直到操作结束。对于整形数的操作，分别是对整型数和位进行原子的操作。
1.2.1、整型原子的操作
（1）设置原子变量的值
void atomic_set(atomic_t *v,int i); // 设置原子变量的值为 i
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0) ; // 定义原子变量 V，并初始化为 0
（2）获取原子变量的值
atomic_read(atomic_t *v) // 返回值就是原子变量的值
（3）原子的操作
void atomic_add(int i, atomic_t *v) // i + v
void atomic_sub(int i,atomic_t *v ) // v – i
（4）操作并测试
int atomic_inc_an_test(atomic_t *v) // 自加1，测试是否为0，使得话返回 true
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v) // 自减 1，测试是否为 0，使得话，返回 true
（5）操作与返回
int atomic_add_reture(int i, atomic_t *v); // V + i，返回新的值
int atomic _sub_return(int i, atomic_t *v) // v – i ,返回新的值
int atomic_inc_return(atomic_t *v) // V + 1
int atomic_dec_return(atomic_t *v) // V – 1
1.2.2、位原子的操作
（1）设置为
void set_bit(nr,void * addr) // 设置地址 addr 的 第 nr 位 为 1
（2）清除位
void clear_bit(nr, void *addr) // 设置地址 addr 的 第 nr 位 为 0
(3)改变位
void change_bit（nr, void *addr） // 设置地址 addr 的 第 nr 位 反转
(4)检测位
test_bit(nr, void *addr); // 返回 addr 第 nr 位的 值
（5）测试与操作为
int test_and_set_bit(nr, void *addr);
先进行测试，之后在进行位的设置。
1.2.3、原子操作的特性
原子操作的特性，就对原子数的操作的时候，绝对不会被线程的调度器进行打断，也就说，这个时间段，是没进程的上下文之间的切换，进一步说，就是绝对不会出现睡眠和阻塞。
1.3、自旋锁
自旋锁 spin lock，是另外一种对临界资源进行互斥访问的手段，它的实现也是借助了 原子操作实现的。自旋锁的机制是，进程对资源的访问之前，需要对特性的内存进行读取，当读取到值，也就是获得到锁的时候，就有权限进入下一步的操作；而其他的进程没有获得到锁的时候，就就如原地的等待，然后再次进行读取，这个等待、读取的过程，我们称之为自旋。
1.3.1、自旋的 API
（1）锁的定义
spinlock_t lock;
（2）锁的初始化
spin_lock_init(lock) // 完成初始化
（3）获得锁
spin_lock(lock)
尝试去获得锁，如果获得，就马上返回，没有获得的话，就进入自旋的状态，Linux 也提供非阻塞的方式：
spin_trylock(lock)
获得锁的时候，返回 true，没有获得的时候，就返回 false
(4)释放锁
spin_unlock(lock)
1.3.2、一般执行方式
spinlock_t lock;
spin_init_lock(lock);
spin_lock(lock);
XXXX 临界区代码
spin_unlock(lock);
1.3.3、自旋锁与中断
在单 CPU 和内核可被抢占的系统中，自旋锁在获得锁的期间，内核的抢占就是被禁止的，因此，这个时候，是可以完全保证获得锁器件的临界区操作代码，不收到其他进程的打扰；但是在 多核的 CPU 中，其中的一个 CPU 获得了自旋锁，但是，只是在该 CPU 上的抢占调度被禁止了，其他核心的CPU 是并没有被禁止抢占调度的，所以为了保证在多核的情况，临界区不受到本 CPU 和其他的 CPU 抢占进程的打扰。
因为自旋锁的底层是借助原子操作实现的，保证了获得锁的器件的操作是不会被被本 CPU 和其他 CPU 的进程调度所影响，而且，自旋锁关闭了抢占系统，但是这些特性并不能保证在得到锁的的时候，执行临界区代码的时候，不受到中断和底部（BH）的影响，也就是这个时候，本 CPU 的中断发生的时候，还是会反过来影响临界区的代码，所以一般是假如关闭中断的操作，这个时候就借助了锁的衍生机制
spin_lock_irq = spin_lock() + local_irq_disable() // 获得锁的同时，关闭中断
spin_inlock_irq = spin_unlock() + local_irq_enable // 释放锁的同时，打开中断
spin_lock_irqsave = spin_lock() + locak_irq_save() // 获得锁的同时，关闭中断，且保存中断的状态
spin_lock_irqrestore() = spin_unlock() + locak_irq_restore() // 释放锁的同时，将中断状态进行回复
spin_lock_bh() = spin_lock() + local_bh_disable() ; // 获得锁的同时，关闭底部中断
spin_unlock_bh() = spin_unlock() + local_bh_enable // 释放锁，且恢复底部中断
当在自旋锁内部加了中断的时候，CPU0 获得了自旋锁，进入了原子的操而CPU 1 在 CPU0 还没有释放锁的时候，CPU1 就只等原地等待（浪费
了 CPU）；而且，中断的话，就避免受到 本 CPU 的影响，保证了内核并发的可能。
1.3.4、自旋锁注意事项
（1）因为在获得了自旋锁之后，CPU 就开始了原子的操作，其他的CPU 就会原地一直自旋，等待的过程，并不是睡眠，所以浪费了 N 多的资源，所以，一般上，进程拥有锁的时间都是非常的短的，这样才是比较的划算；如果临界区的代码非常大的话，其他的 CPU 就一直原地等待，浪费了资源，导致了系统性能的降低。
（2）进程在拥有一个锁的期间，不能再尝试去获取本锁，否则导致死锁。
（3）在获得自旋锁的器件，绝对不能出现进程调度的情况，也就是，绝对不能出现进程的睡眠和进程的阻塞，不能出现 copy_tousr或者copy_from_usr，kmalloc、msleep等函数，因为自旋锁实现就是通过原子操作实现的，原子操作的特性，就是一旦开始执行，绝对不会出现进程的调度，否则会导致内核的崩溃。
1.4、信号量
信号量，是非常常用的一种同步互斥的手段，类似于灯，当等的个数不为零的时候，进程获取资源的时候，就将灯拿走一个；当释放资源的时候，就将灯放回去；当灯为零的时候，这个时候，进程将被挂起，进入睡眠的状态，直到被唤醒。
1.4.1、API
（1）定义信号量
struct semaphore sem；
（2）初始化信号量
void sema_init(struct semaphore * sem, int val)
初始化信号量的值为 val
（3）获得信号量
int down(struct semaphore * sem)
获得信号量，和获得锁差不多，当没有得到信号量的时候，就进入睡眠的状态，也就是说，不能在中断里面被使用，因为中断全部被关闭了，进程的调度器是依赖中断实现的，没有了中断，当睡眠的进程，拥有没有进程调度器去唤醒进程，导致程序用死停在那里。内核也提供了可以被打断的接口
int down_interruptible(struct semaphore *sem)
回去尝试去获取信号量，没有获得的时候，进入睡眠，但是可以被打断，，
int dowun_trylock(struct semaphore *sem)
即使在没有活动信号量的情况下，也不会导致睡眠，而是立即返回，所以可以在中断的上下文进行使用
（4）释放信号量
void up(struct semaphore *sem)
当信号量初始化为 1 的时候，实现的就是互斥锁的功能
1.5、互斥锁
互斥锁的使用方法，和信号量的几乎一模一样 ，只是接口名字不一样而已。
（1）定义互斥锁
struct mutex mymutex;
（2）初始化互斥锁
mutex_init( struct mutex *mymutex)
（3）获得互斥锁
void mutex_lock( struct mutex mymutex;)
当然也有，void mutex_lock_interruptible( struct mutex mymutex;) 和 void mutex_trylock( struct mutex mymutex;)
（4）释放互斥锁
void mutex_unlock(struct mutex mymutex)
1.5.1、自旋锁和互斥锁的选择
（1） 自旋锁在没有获得锁的时候，就只能是原地的等地，因此开销就是其他进程获得锁执行的时间；而互斥锁的话，在没有获得锁，就会睡眠当前的进程，锁带来的开销，是进程切换带来的开销。
（2）互斥锁的过程，会带来进程的睡眠 ，因此，互斥锁是绝对不能出现在中断的上下文；自旋锁则不然，非常适合与中断一起配合使用；自旋锁保护的临界区，绝对不能出现进程的阻塞以及睡眠。
