Linux设备驱动中的并发控制

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，会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；

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_t spin;

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。