自旋锁与信号量(转载)

来源：互联网发布：java获取12时间戳编辑：程序博客网时间：2024/05/17 13:40

原文地址：自旋锁与信号量(转载)作者：joee33

在驱动程序中，当多个线程同时访问相同的资源时
（驱动程序中的全局变量是一种典型的共享资源），
可能会引发"竞态"，因此我们必须对共享资源进行并发控制。
Linux内核中解决并发控制的最常用方法是自旋锁与信号量（绝大多数时候作为互斥锁使用）。
　　自旋锁与信号量"类似而不类"，类似说的是它们功能上的相似性，"不类"指代它们在本质和实现机理上完全不一样，不属于一类。
　　自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环查看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，"自旋"就是"在原地打转"。
而信号量则引起调用者睡眠，它把进程从运行队列上拖出去，除非获得锁。这就是它们的"不类"。
　　但是，无论是信号量，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，
即在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。这就是它们的"类似"。
　　鉴于自旋锁与信号量的上述特点，一般而言，自旋锁适合于保持时间非常短的情况，
它可以在任何上下文使用；信号量适合于保持时间较长的情况，只能在进程上下文使用。
如果被保护的共享资源只在进程上下文访问，则可以以信号量来保护该共享资源，
如果对共享资源的访问时间非常短，自旋锁也是好的选择。
但是，如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问
（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。
　　与信号量相关的API主要有：
　　定义信号量
　　struct semaphore sem;
　　初始化信号量
　　void sema_init (struct semaphore *sem, int val);
　　该函数初始化信号量，并设置信号量sem的值为val
　　void init_MUTEX (struct semaphore *sem);
　　该函数用于初始化一个互斥锁，即它把信号量sem的值设置为1，等同于
　　sema_init (struct semaphore *sem, 1)；
　　void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem);
　　该函数也用于初始化一个互斥锁，但它把信号量sem的值设置为0，等同于
　　sema_init (struct semaphore *sem, 0)；
　　获得信号量
　　void down(struct semaphore * sem);
　　该函数用于获得信号量sem，它会导致睡眠，因此不能在中断上下文使用；
　　int down_interruptible(struct semaphore * sem);
　　该函数功能与down类似，不同之处为，down不能被信号打断，但
　　down_interruptible能被信号打断；可被中断的睡眠，当信号来到，睡眠的任务被唤醒
　　int down_trylock(struct semaphore * sem);
　　该函数尝试获得信号量sem，如果能够立刻获得，它就获得该信号量并返回0，否则，返回非0值。它不会导致调用者睡眠，可以在中断上下文使用。
　　释放信号量
　　void up(struct semaphore * sem);
　　该函数释放信号量sem，唤醒等待者。
　　与自旋锁相关的API主要有：
　　定义自旋锁
　　spinlock_tspin;
　　初始化自旋锁
　　spin_lock_init(lock)
　　该宏用于动态初始化自旋锁lock
　　获得自旋锁
　　spin_lock(lock)
　　该宏用于获得自旋锁lock，如果能够立即获得锁，它就马上返回，否则，它将自旋在那里，直到该自旋锁的保持者释放；
　　spin_trylock(lock)
　　该宏尝试获得自旋锁lock，如果能立即获得锁，它获得锁并返回真，否则立即返回假，实际上不再"在原地打转"；
　　释放自旋锁
　　spin_unlock(lock)
　　该宏释放自旋锁lock，它与spin_trylock或spin_lock配对使用；
　　除此之外，还有一组自旋锁使用于中断情况下的API。
　　下面进入对并发控制的实战。
首先，在globalvar的驱动程序中，
我们可以通过信号量来控制对int global_var的并发访问，
下面给出源代码：
　　　　#include
　　　　#include
　　　　#include
　　　　#include
　　　　#include
　　　　MODULE_LICENSE("GPL");
　　　　#define MAJOR_NUM 254
　　　　static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t,loff_t*);
　　　　static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *,size_t, loff_t*);
　　　　struct file_operations globalvar_fops =
　　　　{
　　　　　　read: globalvar_read,
　　　　　　write: globalvar_write,
　　　　};
　　　　static int global_var = 0;
　　　　static struct semaphore sem;
　　　　static int __init globalvar_init(void)
　　　　{
　　　　　int ret;
　　　　　ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar",&globalvar_fops);
　　　　　if (ret)
　　　　　{
　　　　　　printk("globalvar register failure");
　　　　　}
　　　　　else
　　　　　{
　　　　　　printk("globalvar register success");
　　　　　　init_MUTEX(&sem);
　　　　　}
　　　　　return ret;
　　　　}

　　　　static void __exitglobalvar_exit(void)
　　　　{
　　　　　int ret;
　　　　　ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar");
　　　　　if (ret)
　　　　　{
　　　　　　printk("globalvar unregister failure");
　　　　　}
　　　　　else
　　　　　{
　　　　　　printk("globalvar unregister success");
　　　　　}
　　　　}

　　　　static ssize_t globalvar_read(struct file*filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
　　　　{
　　　　　//获得信号量
　　　　　if (down_interruptible(&sem))
　　　　　{
　　　　　　return - ERESTARTSYS;
　　　　　}
　　　　　//将global_var从内核空间复制到用户空间
　　　　　if (copy_to_user(buf, &global_var,sizeof(int)))
　　　　　{
　　　　　　up(&sem);
　　　　　　return - EFAULT;
　　　　　}
　　　　　//释放信号量
　　　　　up(&sem);
　　　　　return sizeof(int);
　　　　}
　　　　ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf,size_t len, loff_t *off)
　　　　{
　　　　　//获得信号量
　　　　　if(down_interruptible(&sem))//如果返回0，表示获得信号量正常返回
　　　　　{
　　　　　　return - ERESTARTSYS;
　　　　　}
　　　　　//将用户空间的数据复制到内核空间的global_var
　　　　　if (copy_from_user(&global_var, buf,sizeof(int)))
　　　　　{
　　　　　　up(&sem);
　　　　　　return - EFAULT;
　　　　　}
　　　　　//释放信号量
　　　　　up(&sem);
　　　　　return sizeof(int);
　　　　}
　　　　module_init(globalvar_init);
　　　　module_exit(globalvar_exit);

　　接下来，我们给globalvar的驱动程序增加open()和release()函数，并在其中借助自旋锁来保护对全局变量intglobalvar_count（记录打开设备的进程数）的访问来实现设备只能被一个进程打开（必须确保globalvar_count最多只能为1）：

　　　　#include
　　　　#include
　　　　#include
　　　　#include
　　　　#include

　　　　MODULE_LICENSE("GPL");

　　　　#define MAJOR_NUM 254

　　　　static ssize_t globalvar_read(struct file *,char *, size_t, loff_t*);
　　　　static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *,size_t, loff_t*);
　　　　static int globalvar_open(struct inode *inode, struct file*filp);
　　　　static int globalvar_release(struct inode *inode, struct file*filp);

　　　　struct file_operations globalvar_fops=
　　　　{
　　　　　read : globalvar_read,
　　　　　write : globalvar_write,
　　　　　open : globalvar_open,
　　　　　release: globalvar_release,
　　　　};

　　　　static int global_var = 0;
　　　　static int globalvar_count = 0;
　　　　static struct semaphore sem;
　　　　static spinlock_tspin = SPIN_LOCK_UNLOCKED;

　　　　static int __init globalvar_init(void)
　　　　{
　　　　　int ret;
　　　　　ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar",&globalvar_fops);
　　　　　if (ret)
　　　　　{
　　　　　　printk("globalvar register failure");
　　　　　}
　　　　　else
　　　　　{
　　　　　　printk("globalvar register success");
　　　　　　init_MUTEX(&sem);
　　　　　}
　　　　　return ret;
　　　　}

　　　　static int globalvar_open(struct inode*inode, struct file *filp)
　　　　{
　　　　　//获得自选锁
　　　　　spin_lock(&spin);

　　　　　//临界资源访问
　　　　　if (globalvar_count)
　　　　　{
　　　　　　spin_unlock(&spin);
　　　　　　return - EBUSY;
　　　　　}
　　　　　globalvar_count++;

　　　　　//释放自选锁
　　　　　spin_unlock(&spin);
　　　　　return 0;
　　　　}

　　　　static int globalvar_release(struct inode*inode, struct file *filp)
　　　　{
　　　　　globalvar_count--;
　　　　　return 0;
　　　　}

　　　　static ssize_t globalvar_read(struct file*filp, char *buf, size_t len, loff_t　*off)
　　　　{
　　　　　if (down_interruptible(&sem))
　　　　　{
　　　　　　return - ERESTARTSYS;
　　　　　}
　　　　　if (copy_to_user(buf, &global_var,sizeof(int)))
　　　　　{
　　　　　　up(&sem);
　　　　　　return - EFAULT;
　　　　　}
　　　　　up(&sem);
　　　　　return sizeof(int);
　　　　}

　　　　static ssize_t globalvar_write(struct file*filp, const char *buf, size_t len,loff_t *off)
　　　　{
　　　　　if (down_interruptible(&sem))
　　　　　{
　　　　　　return - ERESTARTSYS;
　　　　　}
　　　　　if (copy_from_user(&global_var, buf,sizeof(int)))
　　　　　{
　　　　　　up(&sem);
　　　　　　return - EFAULT;
　　　　　　}
　　　　　　up(&sem);
　　　　　　return sizeof(int);
　　　　}

　　　　module_init(globalvar_init);
　　　　module_exit(globalvar_exit);

　　为了上述驱动程序的效果，我们启动两个进程分别打开/dev/globalvar。在两个终端中调用./globalvartest.o测试程序，当一个进程打开/dev/globalvar后，另外一个进程将打开失败，输出"deviceopen failure"。

0 0