Linux驱动开发并发控制

 并发(Concurrency)是指多个单元同时、并行被执行&＃xff0c;而并发执行单元对共享资源(硬件资源和软件上的全局变量,静态变量等)的访问很容易导致竞态(Race Conditions)。

概念:Linux驱动之并发与竞态

竞争状态的分类:

PS:中断下半部机制 - 软中断及tasklet

竞态的解决方法是:

保证对共享资源的互斥访问(即一个执行单元在访问共享资源时&＃xff0c;其他的执行单元被禁止访问)访问共享资源的代码区域被称为临界区(critical sections),临界区需要被以某种互斥机制加以保护。
Linux常见互斥机制:中断屏蔽、原子操作、自旋锁和信号量、互斥体等

程序在运行时内存实际的访问顺序和程序代码编写的访问顺序不一定一致&＃xff0c;这就是内存乱序访问。内存乱序访问行为出现的理由是为了提升程序运行时的性能。内存乱序访问主要发生在两个阶段&＃xff1a;

1. 编译时&＃xff0c;编译器优化导致内存乱序访问&＃xff08;指令重排&＃xff09;
2. 运行时&＃xff0c;多 CPU 间交互引起内存乱序访问

防止编译乱序:

执行乱序:(主要表现在多CPU上)

如果是单核CPU,执行程序时碰到依赖点(如f&＃61;1;while(f&＃61;&＃61;0);//会等待f&＃61;1执行完,再执行while),会等待,因此程序员感受不到乱序;

但是,这个依赖点等待对于其他核是不可见的,例如:

CPU0:

while(f&＃61;&＃61;0);//wait
printf(x);


CPU1:

x&＃61;42;
f&＃61;1;

1. 在CPU0中,x的打印依赖于while循环的结束,但是CPU1并不知道这一依赖;
2. 因此在CPU1中对于x,f的赋值是乱序的(先赋值x或者先赋值f都是有可能的);
3. 所以CPU0打印的x信息并不一定是42!

执行乱序的解决方法:

DMB DSB ISB 简介

概括的讲:ISB>DSB>DMB

3.1原子操作原理

更详细的可以参考:Linux内核同步机制之&＃xff08;一&＃xff09;&＃xff1a;原子操作

要了解原子操作,首先需要了解LDREX,STREX指令,

首先我们看一下LDR和STR的含义:

• LDR   ---   Load from memory into a register(从内存中加载数据,存到寄存器)
• STR   ---   Store from a register into memory(寄存器中数据保存到内存里)

后缀EX其实是Exclusive(独占的);

LDREX和STREX总结:

• LDREX将内存中的某个数据拷贝到寄存器中,并设置该内存地址为独占 ;
• STREX试图将寄存器数据写回内存,即更新该值,若更新时检测到 该内存为独占,则更新成功,并去掉独占标志,否则更新失败,对一个寄存器写入1(下面例子中的result);
• 通过这两个指令的配合,能检测代码段中该内存是否被并发访问过,如果被访问过 ,STREX就会失败!!!

之后我们可以来看原子操作的源代码:(以atomic_add()和atomic_add_return()为例)

//保证原子操作的输入参数都是atomic结构体,因此可以对原子操作进行计数
typedef struct {int counter;
} atomic_t;

#if __LINUX_ARM_ARCH__ >&＃61; 6 &＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff08;1&＃xff09;
static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{unsigned long tmp;int result;
//prefetchw : 将counter的值读入内存中prefetchw(&v->counter); &＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff08;2&＃xff09;__asm__ __volatile__("&＃64; atomic_add\n" &＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff08;3&＃xff09;
"1: ldrex %0, [%3]\n" &＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff08;4&＃xff09;
" add %0, %0, %4\n" &＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff08;5&＃xff09;
" strex %1, %0, [%3]\n" &＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff08;6&＃xff09;
" teq %1, #0\n" &＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff08;7&＃xff09;
" bne 1b": "&＃61;&r" (result), "&＃61;&r" (tmp), "&＃43;Qo" (v->counter) &＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;对应&＃xff05;0&＃xff0c;&＃xff05;1&＃xff0c;&＃xff05;2: "r" (&v->counter), "Ir" (i) &＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;&＃xff0d;对应&＃xff05;3&＃xff0c;&＃xff05;4: "cc");
}#else#ifdef CONFIG_SMP
#error SMP not supported on pre-ARMv6 CPUs
#endifstatic inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)
{unsigned long flags;int val;raw_local_irq_save(flags);val &＃61; v->counter;v->counter &＃61; val &＃43;&＃61; i;raw_local_irq_restore(flags);return val;
}
#define atomic_add(i, v) (void) atomic_add_return(i, v)#endif

最终要的是下面的代码的含义

 __asm__ __volatile__("&＃64; atomic_add\n"                    //__asm_ _volatile()表示下面的汇编代码编译不要优化;&＃64;表示该行是注释           
"1:    ldrex    %0, [%3]\n"                                                //%3就是"r",%0就是"&＃61;&r",从内存中读(&v-counter),并存到另一个寄存器中
"    add    %0, %0, %4\n"                                                //%0寄存器记录的是v-counter的值,这里 的操作是寄存器值&＃43;1
"    strex    %1, %0, [%3]\n"                                   //将寄存器值写回内存中,即更新内存中v->counter值,如果成功%1寄存器值为0,否则为1
"    teq    %1, #0\n"                                                 //比较%1的值是不是0,若不是,跳回第一步重新执行
"    bne    1b"                                                      

备注:

&＃xff05;3就是input operand list中的"r" (&v->counter)&＃xff0c;r是限制符&＃xff08;constraint&＃xff09;&＃xff0c;用来告诉编译器gcc&＃xff0c;去选择一个通用寄存器保存该操作数吧。&＃xff05;0对应output openrand list中的"&＃61;&r" (result)&＃xff0c;&＃61;表示该操作数是write only的&＃xff0c;&表示该操作数是一个earlyclobber operand&＃xff0c;具体是什么意思呢&＃xff1f;编译器在处理嵌入式汇编的时候&＃xff0c;倾向使用尽可能少的寄存器&＃xff0c;如果output operand没有&修饰的话&＃xff0c;汇编指令中的input和output操作数会使用同样一个寄存器。因此&＃xff0c;&确保了&＃xff05;3和&＃xff05;0使用不同的寄存器。

&＃xff08;5&＃xff09;完成步骤&＃xff08;4&＃xff09;后&＃xff0c;&＃xff05;0这个output操作数已经被赋值为atomic_t变量的old value&＃xff0c;毫无疑问&＃xff0c;这里的操作是要给old value加上i。这里&＃xff05;4对应"Ir" (i)&＃xff0c;这里“I”这个限制符对应ARM平台&＃xff0c;表示这是一个有特定限制的立即数&＃xff0c;该数必须是0&＃xff5e;255之间的一个整数通过rotation的操作得到的一个32bit的立即数。这是和ARM的data-processing instructions如何解析立即数有关的。每个指令32个bit&＃xff0c;其中12个bit被用来表示立即数&＃xff0c;其中8个bit是真正的数据&＃xff0c;4个bit用来表示如何rotation。更详细的内容请参考ARM ARM文档。

&＃xff08;6&＃xff09;这一步将修改后的new value保存在atomic_t变量中。是否能够正确的操作的状态标记保存在&＃xff05;1操作数中&＃xff0c;也就是"&＃61;&r" (tmp)。

&＃xff08;7&＃xff09;检查memory update的操作是否正确完成&＃xff0c;如果OK&＃xff0c;皆大欢喜&＃xff0c;如果发生了问题&＃xff08;有其他的内核路径插入&＃xff09;&＃xff0c;那么需要跳转到lable 1那里&＃xff0c;从新进行一次read-modify-write的操作

原子操作源码总结:

ldrex(内存读数据到寄存器)---->atomic.counter操作(&＃43;,-,等)------>strex(尝试写数据到内存中)

但是:如果原子操作过程中,如果发生过并发的访问,那么strex会执行失败 ,跳回ldrex重新执行 !!!!

3.2 整型原子操作和位原子操作

整型原子操作:

位原子操作:

3.3.例子:使用原子变量使设备只能被一个进程打开

static atomic_t xxx_available&＃61;ATOMIC_INIT(1); //定义原子变量xxx_available,初值为1
static int xxx_open(struct inode *inode,struct file *filep)
{
....if(!atomic_dec_and_test(&xxx_available)){atomic_inc(&xxx_available);return -EBUSY; //已经打开}
....return 0;
}
static int xxx_release(struct inode *inode,struct file *filep)
{atomic_inc(&xxx_available); //释放设备return 0;
}

假设设备未打开,则xxx_available&＃61;1;

打开设备,执行xxx_open,执行atomic_dec_and_test(),先返回值1,再执行xxx_avaiable--;此时xxx_available&＃61;0,设备打开;

另一个进程也想打开设备(二次打开),执行xxx_open,执行atomic_dec_and_test(),因为设备已经打开,返回xxx_available值0,在让xxx_available&＃61;-1,if条件满足,执行xxx_available&＃43;&＃43;,返回EBUSY;

释放设备,xxx_available&＃61;0&＃43;1;