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標(biāo)題: Android 深度探索(卷1)-學(xué)習(xí)筆記(原子操作、自旋鎖) [打印本頁(yè)]

作者: qinqin 時(shí)間: 2015-6-6 02:49
標(biāo)題: Android 深度探索(卷1)-學(xué)習(xí)筆記(原子操作、自旋鎖)
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工作之后，比較少時(shí)間看書學(xué)習(xí)，也比較少時(shí)間做筆記。
買下這本書，雖然和自己預(yù)想的有些出入，但仍對(duì)自己有蠻大的幫助。
自己買了很多的書都只是看了一點(diǎn)就丟在一旁，浪費(fèi)啊。。。這次可不能浪費(fèi)了。。。
回首2014，發(fā)現(xiàn)自己獲得的很少，原因在于自己不懂充分利用好時(shí)間，所以今年需要充分利用好時(shí)間，更加的努力，吼吼吼，聚集正能量。。。
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花了一個(gè)星期上下班的時(shí)間，看到了RCU機(jī)制，原以為今天下午能寫完原子操作、自旋鎖、讀寫鎖、順序鎖、RCU的筆記，沒(méi)想到當(dāng)真正實(shí)際上機(jī)操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)那些自認(rèn)為已經(jīng)理解的知識(shí)點(diǎn)在機(jī)器上得不到證實(shí)�？磥�(lái)不能光看書，還得要多多實(shí)踐實(shí)踐。
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第三篇 Linux 驅(qū)動(dòng)開發(fā)高級(jí)技術(shù)
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第11章 Linux 驅(qū)動(dòng)程序中的并發(fā)控制

驅(qū)動(dòng)程序是為上層服務(wù)的，一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序可能會(huì)被多個(gè)應(yīng)用進(jìn)程同時(shí)使用。

一、原子操作：即不可再細(xì)分的操作，最小的執(zhí)行單位，在操作完之前都不會(huì)被任何事件中斷。

整型原子操作：對(duì)int類型的操作變成原子操作。
int i = 0;
i = i + 2; <--- 轉(zhuǎn)換為匯編時(shí)，不止一條語(yǔ)句，所以可能會(huì)被中斷。

數(shù)據(jù)類型：atomic_t 在 linux/types.h 中定義。
typedef struct
{
int counter;
}atomic_t;

atomic_t.counter的變量值變化就是原子的，當(dāng)然我們不能直接去讀寫這個(gè)變量值，要使用一些函數(shù)才能對(duì)它進(jìn)行操作，
這些函數(shù)都是圍繞著 atomic_t.counter 變量的修改、獲取而設(shè)計(jì)的。

示例：
/* 一般定義為全局變量 */
atomic_t n = ATOMIC_INIT(3); // 將變量 n.counter 的初始值設(shè)為 3 --> n.counter = 3
n.counter = 10; // 這種寫法沒(méi)有意義，它并不是原子操作。
atomic_set(&n, 2); // 將變量 n.counter 的初始值設(shè)為 2 --> n.counter = 2
atomic_add(5, &n); // 將變量 n.counter 的值加上 5 --> n.counter += 5
atomic_dec(&n); // 將變量 n.counter 的值減 1 --> n.counter -= 1
printk("n = %d", atomic_read(&n)); // 讀取變量 n.counter 的值此時(shí) n.counter == 6

接口：
32位整型原子操作的其他的函數(shù)(列出，方便查詢)：
ATOMIC_INIT(int i) 宏用 i 初始化 atomic_t 類型的變量
int atomic_read(atomic_t *v) 宏讀 v 的值
void atomic_set(atomic_t *v, int i); 宏設(shè) v 的值為 i
void atomic_add(int i, atomic_t *v); 宏將 v 的值加 i
void atomic_sub(int i, atomic_t *v); 宏將 v 的值減 i
void atomic_inc(atomic_t *v); 宏將 v 的值加 1
void atomic_dec(atomic_t *v); 宏將 v 的值減 1

int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v); 宏將 v 的值減 i，(0==v) ? 非0值 : 0;
int atomic_inc_and_test(atomic_t *v); 宏將 v 的值加 1，(0==v) ? 非0值 : 0;
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v); 宏將 v 的值減 1，(0==v) ? 非0值 : 0;
int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v); 宏將 v 的值加 1，(v<0) ? 非0值 : 0;
int atomic_add_return(int i, atomic_t *v); 函將 v 的值加 i，并返回 +i 后的結(jié)果
int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v); 函將 v 的值減 i，并返回 -i 后的結(jié)果
int atomic_inc_return(atomic_t *v); 宏將 v 的值加 1，并返回 +1 后的結(jié)果
int atomic_dec_return(atomic_t *v); 宏將 v 的值減 1，并返回 -1 后的結(jié)果
int atomic_add_unless(atomic_t *v, int a, int u); 涵  ( v!=u ) ? v+a,返回非0值 : 0;
int atomic_inc_not_zero(atomic_t *v); 宏 ( v!=0 ) ? v+1,返回非0值 : 0;

64位整型原子操作：和32位整型原子操作一致，所操作的接口只是名稱不同，功能一致。
ATOMIC64_INIT(int i) 宏用 i 初始化 atomic_t 類型的變量
int atomic64_read(atomic_t *v) 宏讀 v 的值
void atomic64_set(atomic_t *v, int i); 宏設(shè) v 的值為 i
void atomic64_add(int i, atomic_t *v); 宏將 v 的值加 i
void atomic64_sub(int i, atomic_t *v); 宏將 v 的值減 i
void atomic64_inc(atomic_t *v); 宏將 v 的值加 1
void atomic64_dec(atomic_t *v); 宏將 v 的值減 1
...
...

注意：
32位整型原子操作在64位下執(zhí)行不會(huì)有問(wèn)題，但是64位整型原子操作在32位系統(tǒng)下執(zhí)行會(huì)造成難以預(yù)料的后果。
為了讓自己的驅(qū)動(dòng)程序通用，若非必要?jiǎng)t盡量使用32位整型原子操作。

位原子操作：
這種操作的數(shù)據(jù)類型是 unsigned long, 32位系統(tǒng)下為32bit，64位系統(tǒng)下為64bit。
位原子操作函數(shù)主要功能是將 unsigned long 變量中的指定位設(shè)為0或設(shè)為1。

示例：
unsigned long value = 0;
// 設(shè)置 value 的第0位為1, value = 0000000000000000 0000000000000001
set_bit(0, &value);
// 設(shè)置 value 的第2位為1, value = 0000000000000000 0000000000000101
set_bit(2, &value);
// 設(shè)置 value 的第0位為0, value = 0000000000000000 0000000000000100
clear_bit(0, &value);
// 將 value 的第0位取反，第0位為1則設(shè)為0，為0則設(shè)為1
change_bit(0, &value);

接口：都是宏
void set_bit(int nr, void *addr); 將addr的第nr位設(shè)為 1
void clear_bit(int nr, void *addr); 將addr的第nr位設(shè)為 0
void change_bit(int nr, void *addr); 將addr的第nr位取反
int test_bit(int nr, void *addr); 如果addr的第nr位為1則返回非0值，否則返回0
int test_and_set_bit(int nr, void *addr); 將addr的第nr位設(shè)為 1，設(shè)置之前該位為1則返回非0值，否則返回0
int test_and_clear_bit(int nr, void *addr); 將addr的第nr位設(shè)為 0，設(shè)置之前該位為1則返回非0值，否則返回0
int test_and_change_bit(int nr, void *addr);將addr的第nr位設(shè)取反，設(shè)置之前該位為1則返回非0值，否則返回0

總結(jié):
整型原子操作和位原子操作都是圍繞一個(gè)變量的操作做為原子操作。
可以用來(lái)限定設(shè)備能被幾個(gè)進(jìn)程操作，和作為計(jì)數(shù)器使用。

實(shí)例：(例如操作打印機(jī))
#define DevNumber 1
atomic_t v = ATOMIC_INIT(DevNumber); // 限定1個(gè)
// 打開打印機(jī)設(shè)備
int OpenPrinterDevice(unsigned char *buf, unsigned int size)
{
// 將v減1后，判斷v是否為0
if(atomic_dec_and_test(v))
{
// v 為 0，表示成功得到操作權(quán)限
return 0;
}
else
{
// 表示設(shè)備已經(jīng)被占用。
return -EBUSY;
}
}
// 釋放打印機(jī)設(shè)備
void ClosePrinterDevice(void)
{
atomic_set(&v, DevNumber);
}

二、自旋鎖
原子操作可以讓指定變量的操作是原子的。很多時(shí)候我們?cè)谔幚硪恍⿺?shù)據(jù)執(zhí)行某些動(dòng)作的時(shí)候要保證執(zhí)行過(guò)程中
不能被中斷，要求是原子的，而整型、位原子操作要實(shí)現(xiàn)這種需求就會(huì)比較復(fù)雜一些。而使用自旋鎖則簡(jiǎn)單很多。

示例：
/* 一般定義為全局變量 */
spinlock_t lock; // 定義一把自旋鎖
spin_lock_init(&lock); // 初始化這把自旋鎖
或者使用宏來(lái)定義并初始化 DEFINE_SPINLOCK(lock)
void MyLock()
{
/* 使用場(chǎng)合：中斷下半部與中斷服務(wù)程序不會(huì)進(jìn)入臨界區(qū) */
spin_lock(&lock); // 獲取并上鎖
// ... <--- 關(guān)閉了內(nèi)核的搶占，但仍受硬中斷和中斷下半部的影響
// 臨界區(qū)代碼
// ...
spin_unlock(&lock); // 釋放解鎖，恢復(fù)內(nèi)核的搶占
}

若中斷處理函數(shù)中需要訪問(wèn)上面的臨界區(qū)，當(dāng)lock鎖未被釋放，同時(shí)中斷產(chǎn)生：
void MyIRQ(void) // 產(chǎn)生中斷
{
spin_lock(&lock); // 由于該鎖未被釋放，所以中斷服務(wù)參數(shù)就會(huì)一直自旋(雙重請(qǐng)求)
// ...       // 而中斷服務(wù)未退出就無(wú)法退回MyLock()，就無(wú)法釋放鎖造成死鎖
// 臨界區(qū)代碼
// ...
spin_unlock(&lock); // 釋放解鎖，恢復(fù)內(nèi)核的搶占
}

這種情況下需要采用以下的方式上鎖：
void MyLockIrq()
{
/*使用場(chǎng)合：
1、中斷服務(wù)函數(shù)與中斷下半部都需要進(jìn)入該臨界區(qū)
2、中斷服務(wù)函數(shù)需要進(jìn)入該臨界區(qū)
*/
spin_lock_irq(&lock); // 獲取并上鎖臨界區(qū)的內(nèi)容可能會(huì)被
// ... <--- 關(guān)閉了內(nèi)核的搶占以及硬件中斷響應(yīng)，軟中斷依賴硬件中斷，自然也不生效。
// 臨界區(qū)代碼
// ...
spin_unloc_irq(&lock); // 釋放解鎖，恢復(fù)內(nèi)核的搶占以及硬件中斷，中斷下半部也有效
}

如果訪問(wèn)臨界區(qū)的資源的代碼不是放在中斷服務(wù)函數(shù)中，而是放在中斷下半部也會(huì)出現(xiàn)相似的情況，
即在MyLock()上鎖之后，產(chǎn)生一個(gè)硬件中斷，當(dāng)執(zhí)行完中斷服務(wù)函數(shù)之后就可能會(huì)繼續(xù)執(zhí)行中斷下
半部的代碼，因?yàn)樗梢該屨歼M(jìn)程上下文，而低半部要獲取的鎖已經(jīng)被MyLock()上鎖，形成死鎖。

這種情況也可以用void MyLockIrq()這種方式，但是最好用一下方式，更快：
void MyLockBh()
{
/* 使用場(chǎng)合：中斷下半部與進(jìn)程上下文都需要進(jìn)入該臨界代碼 */
spin_lock_bh(&lock); // 獲取并上鎖
// ... <--- 關(guān)閉了內(nèi)核的搶占以及中斷下半部，但受硬件中斷影響
// 臨界區(qū)代碼
// ...
spin_unloc_bh(&lock); // 釋放解鎖，恢復(fù)內(nèi)核的搶占以及中斷下半部
}

對(duì)于一個(gè)CPU的機(jī)器來(lái)說(shuō):當(dāng)有A、B進(jìn)程都要執(zhí)行臨界區(qū)的代碼時(shí)，假設(shè)A先獲得鎖之后，B進(jìn)程不會(huì)被調(diào)度，
系統(tǒng)呈現(xiàn)假死狀態(tài)，只有當(dāng)A釋放鎖之后，B進(jìn)程才會(huì)被調(diào)度再去獲取鎖，此時(shí)A已經(jīng)釋放鎖，所以B也就順利得到鎖。
對(duì)于兩個(gè)CPU的機(jī)器來(lái)說(shuō)：當(dāng)有A、B進(jìn)程都要執(zhí)行臨界區(qū)的代碼時(shí)，假設(shè)A先獲得鎖之后，B進(jìn)程也會(huì)去獲取鎖，
但是鎖已經(jīng)被A得到，那么B進(jìn)程則會(huì)一直不停的循環(huán)檢測(cè)鎖是否被釋放，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)呈現(xiàn)假死狀態(tài)。
            (這些現(xiàn)象可以在VM虛擬機(jī)上驗(yàn)證，VM虛擬機(jī)可以調(diào)整CPU個(gè)數(shù))

A進(jìn)程：
spin_lock(&lock); // 獲取并上鎖
// ...
// 臨界區(qū)代碼 <--- A在執(zhí)行臨界區(qū)代碼 ---cpu0
// ...
spin_unlock(&lock); // 釋放解鎖

B進(jìn)程：
spin_lock(&lock); // <--- 阻塞這里，一直在spin_lock內(nèi)部不停的循環(huán)等待 ---cpu1
// ...
// 臨界區(qū)代碼
// ...
spin_unlock(&lock); // 釋放解鎖

也就說(shuō)，只有一個(gè)進(jìn)程能進(jìn)入臨界區(qū)，其他進(jìn)程要想進(jìn)入臨界區(qū)只能自己在原地循環(huán)旋轉(zhuǎn)等待。

使用注意事項(xiàng)：
1、自旋鎖實(shí)際上是忙等待，因?yàn)樵诘却i的時(shí)候是在不停的循環(huán)等待，長(zhǎng)時(shí)間占用鎖會(huì)極大降低系統(tǒng)性能。
2、要避免在臨界區(qū)中調(diào)用可能會(huì)產(chǎn)生睡眠的函數(shù)，因?yàn)榇藭r(shí)搶占、中斷已經(jīng)關(guān)閉，無(wú)法被喚醒導(dǎo)致無(wú)法解鎖。
3、若數(shù)據(jù)被軟中斷共享，也需要加鎖，因?yàn)樵诓煌幚砥魃洗嬖谲浿袛嗤瑫r(shí)執(zhí)行問(wèn)題。
4、注意避免死鎖，例如上述例子，A進(jìn)程獲得了鎖之后，又繼續(xù)獲取該鎖，因?yàn)樵撴i已經(jīng)被A獲取，
所以該鎖無(wú)法再次被A獲取，A就會(huì)一直循環(huán)打轉(zhuǎn)等待，A沒(méi)有機(jī)會(huì)釋放該鎖，該CPU被鎖死，
對(duì)于多顆CPU來(lái)說(shuō)，其他進(jìn)程又無(wú)法釋放該鎖，形成死循環(huán)，導(dǎo)致死機(jī)。

A進(jìn)程：
spin_lock(&lock); // 獲取并上鎖  關(guān)閉了內(nèi)核的搶占
spin_lock(&lock); // <--- 阻塞這里，一直在spin_lock內(nèi)部不停的循環(huán) cpu被鎖死
// ...
// 臨界區(qū)代碼 <--- 無(wú)法得到執(zhí)行
// ...
spin_unlock(&lock); // 沒(méi)有機(jī)會(huì)釋放

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