1、第第7 7章章 設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的并發(fā)控制設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的并發(fā)控制現(xiàn)代操作系統(tǒng)有三大特性：中斷處理、多任務(wù)處理和現(xiàn)代操作系統(tǒng)有三大特性：中斷處理、多任務(wù)處理和多處理器（多處理器（SMP）。這些特性導(dǎo)致當(dāng)多個(gè)進(jìn)程、線程或者）。這些特性導(dǎo)致當(dāng)多個(gè)進(jìn)程、線程或者CPU同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)資源時(shí)，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤是操作同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)資源時(shí)，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤是操作系統(tǒng)運(yùn)行所不允許的。在操作系統(tǒng)中，內(nèi)核需要提供并發(fā)控系統(tǒng)運(yùn)行所不允許的。在操作系統(tǒng)中，內(nèi)核需要提供并發(fā)控制機(jī)制，對(duì)公用資源進(jìn)行保護(hù)。本章將對(duì)保護(hù)這些公用資源制機(jī)制，對(duì)公用資源進(jìn)行保護(hù)。本章將對(duì)保護(hù)這些公用資源的方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。的方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

2、7.1 7.1 并發(fā)與競(jìng)爭(zhēng)并發(fā)與競(jìng)爭(zhēng)并發(fā)是指在操作系統(tǒng)中，一個(gè)時(shí)間段中有幾個(gè)程序都并發(fā)是指在操作系統(tǒng)中，一個(gè)時(shí)間段中有幾個(gè)程序都處于已啟動(dòng)運(yùn)行到運(yùn)行完畢之間，且這幾個(gè)程序都是在同一處于已啟動(dòng)運(yùn)行到運(yùn)行完畢之間，且這幾個(gè)程序都是在同一個(gè)處理機(jī)上運(yùn)行，但任一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)上只有一個(gè)程序在處理機(jī)個(gè)處理機(jī)上運(yùn)行，但任一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)上只有一個(gè)程序在處理機(jī)上運(yùn)行。并發(fā)容易導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題。競(jìng)爭(zhēng)就是兩個(gè)或者兩個(gè)上運(yùn)行。并發(fā)容易導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題。競(jìng)爭(zhēng)就是兩個(gè)或者兩個(gè)以上的進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)資源，從而引起資源的錯(cuò)誤。以上的進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)資源，從而引起資源的錯(cuò)誤。7.2 7.2 原子變量操作原子變量操作原子變量操作是原子變量操

3、作是Linux中提供的一種簡(jiǎn)單的同步機(jī)制。中提供的一種簡(jiǎn)單的同步機(jī)制。原子變量操作是一種在操作過(guò)程中不會(huì)被打斷的操作，所以原子變量操作是一種在操作過(guò)程中不會(huì)被打斷的操作，所以在內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序中非常有用。本節(jié)對(duì)在內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序中非常有用。本節(jié)對(duì)Linux中原子變量的操中原子變量的操作進(jìn)行詳細(xì)的分析。作進(jìn)行詳細(xì)的分析。7.2.1 7.2.1 原子變量操作原子變量操作所謂原子變量操作，就是該操作絕不會(huì)在執(zhí)行完畢前所謂原子變量操作，就是該操作絕不會(huì)在執(zhí)行完畢前被任何其他任務(wù)或事件打斷。也就說(shuō)，原子變量操作是一種被任何其他任務(wù)或事件打斷。也就說(shuō)，原子變量操作是一種不可以被打斷的操作。原子操作需要硬件的支持，

4、因此是架不可以被打斷的操作。原子操作需要硬件的支持，因此是架構(gòu)相關(guān)的，其構(gòu)相關(guān)的，其API和原子類型的定義都定義在內(nèi)核源碼樹(shù)的和原子類型的定義都定義在內(nèi)核源碼樹(shù)的include/asm/atomic.h文件中，它們都使用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，因文件中，它們都使用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闉镃語(yǔ)言并不能實(shí)現(xiàn)這樣的操作。語(yǔ)言并不能實(shí)現(xiàn)這樣的操作。7.2.2 7.2.2 原子整形操作原子整形操作有時(shí)候需要共享的資源可能只是一個(gè)簡(jiǎn)單的整形數(shù)值。例如有時(shí)候需要共享的資源可能只是一個(gè)簡(jiǎn)單的整形數(shù)值。例如在驅(qū)動(dòng)程序中，需要對(duì)包含一個(gè)在驅(qū)動(dòng)程序中，需要對(duì)包含一個(gè)count的計(jì)數(shù)器。這個(gè)計(jì)數(shù)器表示的計(jì)數(shù)器。這個(gè)計(jì)數(shù)器表示有多少

5、個(gè)應(yīng)用程序打開(kāi)了設(shè)備所對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件。通常在設(shè)備驅(qū)有多少個(gè)應(yīng)用程序打開(kāi)了設(shè)備所對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件。通常在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的動(dòng)程序的open()函數(shù)中，將函數(shù)中，將count變量加變量加1。在。在close()函數(shù)中，將函數(shù)中，將count減減1。如果只有一個(gè)應(yīng)用程序執(zhí)行打開(kāi)和關(guān)閉操作，那么這里。如果只有一個(gè)應(yīng)用程序執(zhí)行打開(kāi)和關(guān)閉操作，那么這里的的count計(jì)數(shù)不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。但是如果有多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)打開(kāi)或計(jì)數(shù)不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。但是如果有多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)打開(kāi)或者關(guān)閉設(shè)備文件，那么就可能導(dǎo)致者關(guān)閉設(shè)備文件，那么就可能導(dǎo)致count多加或者少加，出現(xiàn)錯(cuò)誤多加或者少加，出現(xiàn)錯(cuò)誤。為了避免這個(gè)問(wèn)題，內(nèi)核提供了一個(gè)原

6、子整形變量，稱為為了避免這個(gè)問(wèn)題，內(nèi)核提供了一個(gè)原子整形變量，稱為atomic_t。7.2.3 7.2.3 原子位操作原子位操作除了原子整數(shù)操作外，還有原子位操作。原子位操作除了原子整數(shù)操作外，還有原子位操作。原子位操作是根據(jù)數(shù)據(jù)的每一位單獨(dú)進(jìn)行操作。根據(jù)體系結(jié)構(gòu)的不同，是根據(jù)數(shù)據(jù)的每一位單獨(dú)進(jìn)行操作。根據(jù)體系結(jié)構(gòu)的不同，原子位操作函數(shù)的實(shí)現(xiàn)也不同。原子位操作函數(shù)的實(shí)現(xiàn)也不同。7.3 7.3 自旋鎖自旋鎖自旋鎖是一種簡(jiǎn)單的并發(fā)控制機(jī)制，其是實(shí)現(xiàn)信號(hào)量自旋鎖是一種簡(jiǎn)單的并發(fā)控制機(jī)制，其是實(shí)現(xiàn)信號(hào)量和完成量的基礎(chǔ)。自旋鎖對(duì)資源有很好的保護(hù)作用，在和完成量的基礎(chǔ)。自旋鎖對(duì)資源有很好的保護(hù)作用，在Li

7、nux驅(qū)動(dòng)程序中進(jìn)程使用，本節(jié)將對(duì)自旋鎖進(jìn)行詳細(xì)的介驅(qū)動(dòng)程序中進(jìn)程使用，本節(jié)將對(duì)自旋鎖進(jìn)行詳細(xì)的介紹。紹。7.3.1 7.3.1 自旋鎖概述自旋鎖概述在在Linux中提供了一些鎖機(jī)制來(lái)避免競(jìng)爭(zhēng)條件，最簡(jiǎn)單中提供了一些鎖機(jī)制來(lái)避免競(jìng)爭(zhēng)條件，最簡(jiǎn)單的一種就是自旋鎖。引入鎖的機(jī)制，是因?yàn)閱为?dú)的原子操作的一種就是自旋鎖。引入鎖的機(jī)制，是因?yàn)閱为?dú)的原子操作不能滿足復(fù)雜的內(nèi)核設(shè)計(jì)需要。例如，當(dāng)一個(gè)臨界區(qū)域要在不能滿足復(fù)雜的內(nèi)核設(shè)計(jì)需要。例如，當(dāng)一個(gè)臨界區(qū)域要在多個(gè)函數(shù)之間來(lái)回運(yùn)行時(shí)，原子操作就顯得無(wú)能無(wú)力了。多個(gè)函數(shù)之間來(lái)回運(yùn)行時(shí)，原子操作就顯得無(wú)能無(wú)力了。Linxu中一般可以認(rèn)為有兩種鎖，一種是自旋鎖，

8、另一中一般可以認(rèn)為有兩種鎖，一種是自旋鎖，另一種是信號(hào)量。這兩種鎖是為了解決內(nèi)核中遇到的不同問(wèn)題開(kāi)種是信號(hào)量。這兩種鎖是為了解決內(nèi)核中遇到的不同問(wèn)題開(kāi)發(fā)的。其實(shí)現(xiàn)機(jī)制和應(yīng)用場(chǎng)合有所不同，下文將分別對(duì)這兩發(fā)的。其實(shí)現(xiàn)機(jī)制和應(yīng)用場(chǎng)合有所不同，下文將分別對(duì)這兩種鎖機(jī)制進(jìn)行介紹。種鎖機(jī)制進(jìn)行介紹。7.3.2 7.3.2 自旋鎖的使用自旋鎖的使用在在Linux中，自旋鎖的類型為中，自旋鎖的類型為struct spinlock_t。內(nèi)核提。內(nèi)核提供了一系列的函數(shù)來(lái)對(duì)供了一系列的函數(shù)來(lái)對(duì)struct spinlock_t進(jìn)行操作。下面將對(duì)進(jìn)行操作。下面將對(duì)自旋鎖的操作方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。自旋鎖的操作方法進(jìn)行

9、簡(jiǎn)要的介紹。1定義和初始化自旋鎖定義和初始化自旋鎖2鎖定自旋鎖鎖定自旋鎖3釋放自旋鎖釋放自旋鎖4使用自旋鎖使用自旋鎖7.3.3 7.3.3 自旋鎖的使用注意事項(xiàng)自旋鎖的使用注意事項(xiàng)在使用自旋鎖時(shí)，有幾個(gè)注意事項(xiàng)需要讀者理解，這在使用自旋鎖時(shí)，有幾個(gè)注意事項(xiàng)需要讀者理解，這幾個(gè)注意事項(xiàng)是：幾個(gè)注意事項(xiàng)是：自旋鎖是一種忙等待。自旋鎖是一種忙等待。自旋鎖不能遞歸使用。自旋鎖不能遞歸使用。7.4 7.4 信號(hào)量信號(hào)量本節(jié)介紹鎖的另一種實(shí)現(xiàn)機(jī)制，這種機(jī)制就是本節(jié)介紹鎖的另一種實(shí)現(xiàn)機(jī)制，這種機(jī)制就是Linux中中常用的信號(hào)量。常用的信號(hào)量。Linux中提供了兩種信號(hào)量，一種用于內(nèi)核中提供了兩種信號(hào)量，一種

10、用于內(nèi)核程序中，一種用于應(yīng)用程序中。由于這里講解的是內(nèi)核編程程序中，一種用于應(yīng)用程序中。由于這里講解的是內(nèi)核編程的知識(shí)，所以只對(duì)內(nèi)核中的信號(hào)量進(jìn)行詳細(xì)講述。的知識(shí)，所以只對(duì)內(nèi)核中的信號(hào)量進(jìn)行詳細(xì)講述。7.4.1 7.4.1 信號(hào)量概述信號(hào)量概述和自旋鎖一樣，信號(hào)量也是保護(hù)臨界資源的一種有用方和自旋鎖一樣，信號(hào)量也是保護(hù)臨界資源的一種有用方法。信號(hào)量與自旋鎖的使用方法基本一樣。與自旋鎖相比，信法。信號(hào)量與自旋鎖的使用方法基本一樣。與自旋鎖相比，信號(hào)量只有當(dāng)?shù)玫叫盘?hào)量的進(jìn)程或者線程才能夠進(jìn)入臨界區(qū)，執(zhí)號(hào)量只有當(dāng)?shù)玫叫盘?hào)量的進(jìn)程或者線程才能夠進(jìn)入臨界區(qū)，執(zhí)行臨界代碼。信號(hào)量與自旋鎖的最大不同點(diǎn)在于，

11、當(dāng)一個(gè)進(jìn)程行臨界代碼。信號(hào)量與自旋鎖的最大不同點(diǎn)在于，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程試圖去獲取一個(gè)已經(jīng)鎖定的信號(hào)量時(shí)，試圖去獲取一個(gè)已經(jīng)鎖定的信號(hào)量時(shí)，進(jìn)程不會(huì)像自旋鎖一樣進(jìn)程不會(huì)像自旋鎖一樣在遠(yuǎn)處忙等待，在信號(hào)量中采用了另一種方式，這中方式如下在遠(yuǎn)處忙等待，在信號(hào)量中采用了另一種方式，這中方式如下所述。所述。7.4.2 7.4.2 信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同的平臺(tái)，其提供的指令代碼有所不同，所以根據(jù)不同的平臺(tái)，其提供的指令代碼有所不同，所以信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)也有所不同。信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)也有所不同。下面詳細(xì)介紹一下這個(gè)結(jié)構(gòu)體的各個(gè)成員變量：下面詳細(xì)介紹一下這個(gè)結(jié)構(gòu)體的各個(gè)成員變量：1lock自旋鎖自旋鎖2count變

12、量變量3等待隊(duì)列等待隊(duì)列7.4.3 7.4.3 信號(hào)量的使用信號(hào)量的使用在在Linux中，信號(hào)量的類型為中，信號(hào)量的類型為struct semaphore。內(nèi)核提。內(nèi)核提供了一系列的函數(shù)來(lái)對(duì)供了一系列的函數(shù)來(lái)對(duì)struct semaphore進(jìn)行操作。下面將進(jìn)行操作。下面將對(duì)信號(hào)量的操作方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。對(duì)信號(hào)量的操作方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。1定義和初始化自旋鎖定義和初始化自旋鎖2鎖定信號(hào)量鎖定信號(hào)量3釋放信號(hào)量釋放信號(hào)量4使用信號(hào)量使用信號(hào)量5信號(hào)量用于同步操作信號(hào)量用于同步操作7.4.4 7.4.4 自旋鎖與信號(hào)量的對(duì)比自旋鎖與信號(hào)量的對(duì)比自旋鎖和信號(hào)量是解決并發(fā)控制的兩個(gè)很重要的方法。在自

13、旋鎖和信號(hào)量是解決并發(fā)控制的兩個(gè)很重要的方法。在使用時(shí)，應(yīng)該如何選擇它們其中的一種方法呢？這要根據(jù)被包使用時(shí)，應(yīng)該如何選擇它們其中的一種方法呢？這要根據(jù)被包含資源的特定來(lái)確定。含資源的特定來(lái)確定。自旋鎖是一種最簡(jiǎn)單的保護(hù)機(jī)制，從上面的代碼分析中，自旋鎖是一種最簡(jiǎn)單的保護(hù)機(jī)制，從上面的代碼分析中，可以看出自旋鎖的定義只有一個(gè)結(jié)構(gòu)體成員。當(dāng)被包含的代碼可以看出自旋鎖的定義只有一個(gè)結(jié)構(gòu)體成員。當(dāng)被包含的代碼能夠在很短的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完成時(shí)，那么使用自旋鎖是一種很好能夠在很短的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完成時(shí)，那么使用自旋鎖是一種很好的選擇。因?yàn)樽孕i只是忙等待，不會(huì)進(jìn)入睡眠。要知道，睡的選擇。因?yàn)樽孕i只是忙等待，不會(huì)

14、進(jìn)入睡眠。要知道，睡眠是一種非常浪費(fèi)時(shí)間的操作。眠是一種非常浪費(fèi)時(shí)間的操作。7.5 7.5 完成量完成量在驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)中，一種常見(jiàn)的情況是：一個(gè)線程需在驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)中，一種常見(jiàn)的情況是：一個(gè)線程需要等待另一個(gè)線程執(zhí)行完某個(gè)操作后，才能夠繼續(xù)執(zhí)行。上要等待另一個(gè)線程執(zhí)行完某個(gè)操作后，才能夠繼續(xù)執(zhí)行。上面講的信號(hào)量其實(shí)也能夠完成這種工作，不過(guò)其效率不如面講的信號(hào)量其實(shí)也能夠完成這種工作，不過(guò)其效率不如Linux中專門針對(duì)這種情況的完成量機(jī)制。本節(jié)將對(duì)完成量中專門針對(duì)這種情況的完成量機(jī)制。本節(jié)將對(duì)完成量進(jìn)行詳細(xì)的介紹。進(jìn)行詳細(xì)的介紹。7.5.1 7.5.1 完成量概述完成量概述Linux中提供了一種

15、機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程發(fā)送一個(gè)信號(hào)來(lái)通知中提供了一種機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程發(fā)送一個(gè)信號(hào)來(lái)通知另一個(gè)線程開(kāi)始完成某個(gè)任務(wù)，這種機(jī)制就是完成量。完成量的目另一個(gè)線程開(kāi)始完成某個(gè)任務(wù)，這種機(jī)制就是完成量。完成量的目的是告訴一個(gè)線程某個(gè)事件已經(jīng)發(fā)生，可以在此事件基礎(chǔ)上做你想的是告訴一個(gè)線程某個(gè)事件已經(jīng)發(fā)生，可以在此事件基礎(chǔ)上做你想做的另一個(gè)事件了。其實(shí)完成量和信號(hào)量比較類似，但是在這種線做的另一個(gè)事件了。其實(shí)完成量和信號(hào)量比較類似，但是在這種線程通信的情況下，使用完成量有更高的效率。在內(nèi)核中，程通信的情況下，使用完成量有更高的效率。在內(nèi)核中，可以進(jìn)程可以進(jìn)程看見(jiàn)使用完成量的代碼。完成量是一種輕量級(jí)的機(jī)制，這種

16、機(jī)制在看見(jiàn)使用完成量的代碼。完成量是一種輕量級(jí)的機(jī)制，這種機(jī)制在一個(gè)線程希望告訴另一個(gè)線程某個(gè)工作已經(jīng)完成的情況下是非常有一個(gè)線程希望告訴另一個(gè)線程某個(gè)工作已經(jīng)完成的情況下是非常有用的。用的。7.5.2 7.5.2 完成量的實(shí)現(xiàn)完成量的實(shí)現(xiàn)完成量是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)任務(wù)之間同步的簡(jiǎn)單方法，在內(nèi)核完成量是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)任務(wù)之間同步的簡(jiǎn)單方法，在內(nèi)核中完成量由中完成量由struct completion結(jié)構(gòu)體來(lái)表示。該結(jié)構(gòu)體定義結(jié)構(gòu)體來(lái)表示。該結(jié)構(gòu)體定義在在includelinuxcompletion.h文件中。文件中。下面詳細(xì)介紹一下這個(gè)結(jié)構(gòu)體的兩個(gè)成員變量：下面詳細(xì)介紹一下這個(gè)結(jié)構(gòu)體的兩個(gè)成員變量：1done成員成員2wait成員成員7.5.3 7.5.3 完成量的使用完成量的使用在在Linux中，信號(hào)量的類型為中，信號(hào)量的類型為struct completion。內(nèi)核。內(nèi)核提供了一系列的函數(shù)來(lái)對(duì)提供了一系列的函數(shù)來(lái)對(duì)struct completion進(jìn)行操作。下面進(jìn)行操作。下面將對(duì)完成量的操作方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹：將對(duì)完成量的操作方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹：1定義和初始化完成量定義和初始化完成量2等待完成量等待完成量3釋放完成量釋放完成量4使用完成量使用完成量7.6 7.6 小結(jié)小結(jié)本章介紹了本章介紹了Li