驱动开发学习笔记---并发与竞争

一、并发与竞争简介

并发：多个“用户”同时访问一个共享的内存。

竞争：多个“用户”同时访问一段共享的内存并对其修改，就会造成数据混乱，甚至程序崩溃，这就是竞争。

二、造成并发与竞争的原因

1、多线程并发访问， Linux 是多任务(线程)的系统，所以多线程访问是最基本的原因。

2、抢占式并发访问， Linux 内核支持抢占，也就是说调度程序可以在任意时刻抢占正在运行的线程，从而运行其他的线程。

3、中断程序并发访问，这个无需多说，学过 STM32 的同学应该知道，硬件中断的权利可是很大的。

4、 SMP(多核)核间并发访问，现在 ARM 架构的多核 SOC 很常见，多核 CPU 存在核间并发访问。

三、临界区（共享资源）

在多任务的工作模式下有多个执行单位，它们通常可以拥有一段共享空间（比如全局变量、共享内存等等）。所以要对共享资源进行保护，某个线程局部变量不需要保护，要保护的是多个线程都会访问的共享数据。如：全局变量，设备结构体成员。

四、避免并发与竞争的操作：

1、原子操作

原子操作就是指不能再进一步分割的操作，一般原子操作用于变量或者位操作。

对于基本的赋值操作比如a=1;在内核里面的步骤为：

ldr r0, =0X30000000         // 变量 a 地址 
ldr r1, = 3                 // 要写入的值 
str r1, [r0]                // 将 3 写入到 a 变量中 

因为一个简单的赋值就有三条语句，然后在多进程里面就可以能出现竞争现象

在编写驱动时，对全局变量要求保证原子操作可以用 atomic_t 结构体：

typedef struct {
int counter;
} atomic_t;

通过原子整形API库函数进行整形操作和位操作。

2、自旋锁

原子操作可以用来解决变量访问的问题，我们在实际应用中有时候需要操作的不止是变量，还有一块区域（比如结构体变量）等。为了保护他们，我们就添加了各种锁，比如自旋锁。自旋锁适用于短时期轻量级加锁，长时间就用信号量。

自旋锁使用注意事项：

1. 因为等待资源的线程会一直“自旋”，所以线程持有自旋锁，访问临界区的时间不能太长。

2. 临界区中，不能存在任何会引起线程阻塞、睡眠的操作，否者可能引起死锁。

3. 不能递归的申请自旋锁。

4. 考虑到程序的可移植性，在使用自旋锁时不管你的cpu是单核，还是多核，都当做多核来使用。

死锁：线程在获取锁之后阻塞或睡眠，导致多个线程都阻塞。

自旋锁会自动禁止抢占，也就说当线程 A得到锁以后会暂时禁止内核抢占。如果线程 A 在持有锁期间进入了休眠状态，那么线程 A 会自动放弃 CPU 使用权。线程 B 开始运行，线程 B 也想要获取锁，但是此时锁被 A 线程持有，而且内核抢占还被禁止了！线程 B 无法被调度出去，那么线程 A 就无法运行，锁也就无法释放，好了，死锁发生了！

3.信号量

信号量特点：

1.线程可以访问的临界区比较大，访问资源的时间长，所以临界区中可以调用引起阻塞的操作。 2.等待资源的线程不会一直等待，会让出 cpu 使用权，进入挂起、睡眠状态。（cpu经过调度执行其它线程） 3.正是因为会进入睡眠态，所以不能在中断中使用，同时也不能在自旋锁的临界区中使用。（中断讲究快进快出） 4.在等待资源时CPU 会经历 切换、唤醒进程等等操作，会产生一定的开销。当使用信号量所争取的利益大于这个开销时就不要使用信号量。

4.互斥体

信号量值 = 1 可以实现互斥访问，Linux 比信号量更专业的机制来进行互斥，即互斥体 mutex。使用过程中有其它线程想要获取该资源的锁，那么它就会被阻塞陷入睡眠状态，直到该资源被解锁才会被唤醒。

互斥体特点： 1.mutex 可以导致休眠，因此也不能在中断中使用 mutex，中断中只能使用自旋锁。 2.和信号量一样， mutex 保护的临界区可以调用引起阻塞的 API 函数。（临界区中可以引起塞） 3.因为一次只有一个线程可以持有 mutex，因此，必须由 mutex 的持有者释放 mutex。并且 mutex 不能递归上锁和解锁。

互斥体使用注意事项： 互斥体和自旋锁都是解决互斥问题的一种手段。互斥体是进程级别的，互斥体在使用的时候会发生进程间的切换，因此，使用互斥体资源开销比较大。自旋锁可以节省上下文切换的时间，如果持有锁的时间不长，使用自旋锁是比较好的选择，如果持有锁时间比较长，互斥体显然是更好的选择。

互斥体与自旋锁区别： 1.当锁不能被获取到时，使用互斥体的开销是进程上下文切换时间，使用自旋锁的开销是等待获取自旋锁（由临界区执行时间决定）。若临界区比较小，宜使用自旋锁，若临界区很大，应使用互斥 体。 2.互斥体所保护的临界区可包含可能引起阻塞的代码，而自旋锁则绝对要避免用来保护包含这样代码的临界区。因为阻塞意味着要进行进程的切换，如果进程被切换岀去后，另一个进程企图获取本自旋锁，死锁就会发生。 3.互斥体存在于进程上下文。因此，如果被保护的共享资源需要在中断或软中断情况下使用，则在互斥体和自旋锁之间只能选择自旋锁。当然，如果一定要使用互斥体，则只能通过mutextrylock（）方式进行，不能获取就立即返回以避免阻塞。