《linux设备驱动开发详解》笔记——7并发控制

　　linux中并发无处不在，底层驱动需要考虑。

7.1 并发与竞争 

7.1.1 概念

  • 并发：Concurrency，多个执行单元同时、并行执行
  • 竞争：Race Condistions，并发的执行单元对共享资源（硬件、软件全局变量和静态变量等）的访问很容易导致竞争

7.1.2 产生并发的情况

  • SMP下多个CPU
  • 单CPU内进程抢占
  • 中断　　

 

　　SMP是真正的并行，其他情况是“宏观并行、微观串行”引起的并发问题。解决竞争问题的办法是保证对共享资源的互斥访问，访问共享资源的代码区称为临界区，需要对临界区进行互斥保护。

7.2 编译乱序和执行乱序

7.2.1 编译乱序

  • 编译器会自动对程序进行编译优化，例如-O2，优化后的汇编可能与C语言的顺序不一样；
  • barrier()函数能禁止编译器乱序优化，能保证barrier前后不乱序。

7.2.2 执行乱序

　　内核在执行代码时，也可能进行乱序执行（out-of-order execution）。例如ARM cortex-A8不支持乱序，但是A9和A15支持乱序；A53不支持乱序，A57支持。乱序执行能提高CPU的利用率，提高效率。

ldr r0, [r1]
str r2, [r3]

例如上述程序，如果ldr执行时间较长（例如cache未命中），则CPU可以不等待ldr完成，继续执行后面的str指令，也许str指令都执行完了，但是ldr还没执行完。这就导致了乱序执行。

　　为什么我们感受不到乱序执行？ 单核的CPU会进行“依赖点等待”，如果后面的指令依赖前面的结果，则后面指令会等待前面指令结束以后再执行，依赖点等待是硬件自动完成的，不用软件参与。

　　看似完美，but问题来了，双核怎么办？ “依赖点等待”的作用范围是单核内部，另一各核不知道，所以多核的竞争要格外注意乱序执行。

ARM为解决乱序执行问题，支持如下操作：
dmb，DMB前面的“显示内存访问”完成后，才能进行后面的“显示内存访问”，但不影响DMB后面的其他指令执行
dsb，DSB前面“显示内存访问”完成后才执行后面的指令
isb，flush流水线，isb后面的指令都是从缓存或内存中获取的。

 

7.3 中断屏蔽

　　可避免中断和其他进程抢占导致的并发，对单核有效。 不太推荐单独使用。

  • 中断屏蔽，就是关闭当前core的中断，实际是屏蔽CPSR的I位。也就保证了临界区不会受中断的影响。
  • 只能停止当前core，对其他core无效
  • 调度是依赖中断的，中断屏蔽以后，整个core的任务调度都不进行了，自然就不会有进程抢占了。 所以，被包含的临界区应该尽量短。
local_irq_enable() 　　    // 使能local_irq_disable() 　　   // 关闭
local_irq_save(flags)  　  // 关闭中断，保存CPSRlocal_irq_restore(flags)   // 使能中断，恢复CPSR

7.4 原子操作（对多核有作用）

　　保证对一个整型数据的修改是排他的。 ARM底层有指令保证，LDREX和STREX，EX是exclusive的缩写。

/*
 * ARMv6 UP and SMP safe atomic ops.  We use load exclusive and
 * store exclusive to ensure that these are atomic.  We may loop
 * to ensure that the update happens.
 */
static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{
    unsigned long tmp;
    int result;

    prefetchw(&v->counter);
    __asm__ __volatile__("@ atomic_add
"
"1:    ldrex    %0, [%3]
"
"    add    %0, %0, %4
"
"    strex    %1, %0, [%3]
"
"    teq    %1, #0
"
"    bne    1b"
    : "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter)
    : "r" (&v->counter), "Ir" (i)
    : "cc");
}
   以atomic_add（）为例说明：
　　ldrex和strex配对使用，可以让总线监控ldrex和strex之间有无其他的实体存取该地址；多核或者同一个core都可以监测。
　　如果有并发的访问，执行strex指令时，第一个寄存器的值被设置为1（Non exclusive access），并且存储的行为也不成功；
　　
　　下图中T3时刻，CPU0的strex不成功，会继续循环；
   特别注意，T3时刻CPU0 strex不成功，没有实际访问外部地址，所以T4时刻CPU1的strex是成功的。
　　如果不成功，可能循环。

　　

#include <linux/atomic.h>

/*
 * On ARM, ordinary assignment (str instruction) doesn't clear the local
 * strex/ldrex monitor on some implementations. The reason we can use it for
 * atomic_set() is the clrex or dummy strex done on every exception return.
 */
#define atomic_read(v)    (*(volatile int *)&(v)->counter)
#define atomic_set(v,i)    (((v)->counter) = (i))

/*
 * ARMv6 UP and SMP safe atomic ops.  We use load exclusive and
 * store exclusive to ensure that these are atomic.  We may loop
 * to ensure that the update happens.
 */
static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)　　　　　　// *v+i
static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v) 　　// *v+i,并返回
static inline void atomic_sub(int i, atomic_t *v)　　　　　　// *v-i
static inline int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v)　　 // *v-i，并返回

#define atomic_inc(v) atomic_add(1, v)
#define atomic_dec(v) atomic_sub(1, v)

#define atomic_inc_and_test(v) (atomic_add_return(1, v) == 0)
#define atomic_dec_and_test(v) (atomic_sub_return(1, v) == 0)
#define atomic_inc_return(v) (atomic_add_return(1, v))
#define atomic_dec_return(v) (atomic_sub_return(1, v))
#define atomic_sub_and_test(i, v) (atomic_sub_return(i, v) == 0)

#include <asm/bitops.h>

#define set_bit(nr,p)　　 ATOMIC_BITOP(set_bit,nr,p)
#define clear_bit(nr,p) 　　 ATOMIC_BITOP(clear_bit,nr,p)
#define change_bit(nr,p)　　 ATOMIC_BITOP(change_bit,nr,p)
#define test_and_set_bit(nr,p) 　　 ATOMIC_BITOP(test_and_set_bit,nr,p)
#define test_and_clear_bit(nr,p) 　　ATOMIC_BITOP(test_and_clear_bit,nr,p)
#define test_and_change_bit(nr,p)　　 ATOMIC_BITOP(test_and_change_bit,nr,p)
注：nr是第几位，p是指针

　　若为单核，即使中断中不调用spin_lock也没关系，因为进程里spin_lock_irqsave已经把中断关闭了。但是考虑到双核，如果CPU0的中断不用spin_lock，中断中访问了临界区，此时CPU1也能获取自旋锁，继而访问临界区，导致临界区保护失败。

7.5 自旋锁 

7.5.1 本质

　　执行一个原子操作test_and_set,如果不成功，则一直循环，即“自旋”，在原地打转。

　　【注意】

　　1.原地打转跟阻塞不一样。原地打转一直在转，一直占用CPU；而阻塞是释放CPU的使用权，往往意味着睡眠。

　　2. 持有自旋锁期间，内核抢占机制将被禁止。另一个core的抢占不受影响

7.5.2 函数

#include <linux/spinlock.h>

spinlock_t lock;　　　　　　　// 定义自旋锁

spin_lock_init(lock);　　　　// 初始化自旋锁
spin_lock(lock);　　　　　　　// 上锁，不成功则原地打转
spin_trylock(lock);　　　　　// 上锁，不成功立即返回
spin_unlock(lock);　　　　   //  释放自旋锁

自旋锁针对SMP下的多核以及单核的进程抢占，对这两种情况是有效的。

7.5.3 进程和中断访问同一临界资源

上锁以后，能保证另一个core以及本core的其他进程不打扰临界区，但是本core中断还可能影响临界区（打断），如果想杜绝这种影响，需要使用“lock+关中断”的方式。

spin_lock_irq() = spin_lock() + local_irq_disable()
spin_unlock_irq() = spin_unlock() + local_irq_enable()
spin_lock_irqsave() = spin_lock() + local_irq_save()
spin_unlock_irqrestore() = spin_unlock() + local_irq_restore()
spin_lock_bh() = spin_lock() + local_bh_disable()
spin_unlock_bh() = spin_unlock() + local_bh_enable()

7.5.3 使用原则

  •  临界区尽量短，因为自旋锁是忙等待，临界区太长会降低系统性能
  •  防止死锁，例如一个已经拥有自旋锁的CPU想第二次获得这个自旋锁
  •  拥有自旋锁期间，不能调用引起调度的函数，例如copy_from_user(),copy_to_user(),kmalloc(),msleep等函数，可能导致内核的崩溃
  •  考虑可移植性，单核编程也要按多核考虑。例如中断中也要用spin_lock

7.6 信号量 

  • 信号量是同步和互斥的手段；
  • 取值0/1/n，一般0/1二值信号量居多
  • sem>=0,进程可以继续执行
  • sem<0，则进程进入等待队列，被设置成等待状态
  • P(S),P操作，S-=1，可能导致进入等待队列
  • V(S),V操作，S+=1，唤醒等待队列中等待该信号量的进程
#include <linux/semaphore.h>

/* Please don't access any members of this structure directly */
struct semaphore {
    raw_spinlock_t        lock;
    unsigned int        count;
    struct list_head    wait_list;
};

#define __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, n)                
{                                    
    .lock        = __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED((name).lock),    
    .count        = n,                        
    .wait_list    = LIST_HEAD_INIT((name).wait_list),        
}

#define DEFINE_SEMAPHORE(name)    
    struct semaphore name = __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, 1)

static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val)
{
    static struct lock_class_key __key;
    *sem = (struct semaphore) __SEMAPHORE_INITIALIZER(*sem, val);
    lockdep_init_map(&sem->lock.dep_map, "semaphore->lock", &__key, 0);
}

extern void down(struct semaphore *sem);　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　// P操作，休眠的进程不能被信号唤醒
extern int __must_check down_interruptible(struct semaphore *sem);　　　　　　 // P操作，休眠的进程可以被信号唤醒，睡眠的进程被信号打断时，down_interruptibal()函数会返回非0值
extern int __must_check down_killable(struct semaphore *sem);
extern int __must_check down_trylock(struct semaphore *sem);　　　　　　　　　　// 不成功也不进入等待队列，而是立即返回
extern int __must_check down_timeout(struct semaphore *sem, long jiffies);
extern void up(struct semaphore *sem);　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　// V操作

7.6.1 使用信号量完成互斥

　　一般不用了，改用linux新的互斥机制mutex。

7.6.2 使用信号量完成同步

　　同步等待。 

7.7 互斥体 

　　

#include <linux/mutex.h>

struct mutex my_mutex;

mutex_init(&my_mutex);

void mutex_lock( struct mutex * lock );
int mutex_lock_interruptibal( struct mutex * lock );      // 睡眠后可被信号打断
int mutex_trylock( struct mutex * lock );　　　　　　　　　　// 不睡眠

void mutex_unlock( struct mutex * lock);

使用方法与信号量互斥的情况相同
mutex_lock( &my_mutex);
......　　// 临界资源
mutex_unlock(&my_mutex);

【自旋锁与互斥体区别】

  • 级别不同，mutex是进程级，实现上依赖spin_lock；spin_lock属于更底层的手段；
  • mutex是进程级，代表进程争夺资源。如果失败，则当前进程进入睡眠，发生进程上下文切换，CPU会运行其他进程。进程切换的开销比较大，so，只有进程占用资源时间较长时，用互斥体是较好的选择；
  • spin_lock得不到时会原地打转，不会进行进程切换，so，临界区较短时，用起来比较划算；

【自旋锁与互斥体的选择】

  • 临界区大小：大选mutex，小选spin_lock
  • 临界区是否可以阻塞：mutex的临界区可以包含引起阻塞的代码；spin_lock不可以，若包含阻塞代码，则会发生进程切换，在另一个进程里如果获取本spin_lock，就会发生死锁
  • 中断中的互斥选择：mutex会引起进程切换，所以中断中不能使用，只能用spin_lock

7.8 完成量 

 　　用于一个执行单元等待另一个执行单元执行完某事。实质就是1个执行单元主动进入等待队列，另一个执行单元从等待队列中唤醒别的执行单元。

　

#include <linux/completion.h>

struct completion my_completion;

init_completion( &my_completion );
reinit_completion( &my_completion );

void wait_for_completion( struct completion *c );　　//等待一个完成量被唤醒

void completion( struct completion *c );　　　　　　  // 唤醒一个等待该完成量的执行单元
void completion_all( struct completion *c )　　　　　 // 唤醒所有等待该完成量的执行单元

7.9 增加互斥控制后的globalmem驱动

7.10 总结 

　　自旋锁和互斥体相对更常用一些，注意两者的选用原则！

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