linux设备驱动中的并发控制——信号量

linux设备驱动中的并发控制——信号量

Linux是一个多任务 *** 作系统，肯定会存在多个任务共同 *** 作同一段内存或者设备的情况，多个任务甚至中断都能访问的资源叫做共享资源。在驱动开发中要注意对共享资源的保护，也就是要处理对共享资源的并发访问。

现在的 Linux 系统并发产生的原因很复杂，总结一下有下面几个主要原因：
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，从 2.6 版本内核开始， 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。

保护内容是什么：
我们保护的不是代码，而是数据！
某个线程的局部变量不需要保护，我们要保护的是多个线程都会访问的共享数据。
一般像全局变量，设备结构体这些肯定是要保护的，至于其他的数据就要根据实际的驱动程序而定了。

Linux 内核提供的几种并发和竞争的处理方法：
（1）原子 *** 作
（2）自旋锁
（3）信号量
（4）互斥体

本章重点讲解信号量。

信号量（Semaphore）是 *** 作系统中最典型的用于同步和互斥的手段，信号量的值可以是0、1或者n。信号量与 *** 作系统中的经典概念PV *** 作对应。
P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；
②如果S≥0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。
V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；
②如果S>0，唤醒队列中等待信号量的进程。

相比于自旋锁，信号量可以使线程进入休眠状态，比如 A 与 B、 C 合租了一套房子，这个房子只有一个厕所，一次只能一个人使用。某一天早上 A 去上厕所了，过了一会 B 也想用厕所，因为 A 在厕所里面，所以 B 只能等到 A 用来了才能进去。 B 要么就一直在厕所门口等着，
等 A 出来，这个时候就相当于自旋锁。 B 也可以告诉 A，让 A 出来以后通知他一下，然后 B 继续回房间睡觉，这个时候相当于信号量。
可以看出，使用信号量会提高处理器的使用效率，毕竟不用一直傻乎乎的在那里“自旋”等待。但是，信号量的开销要比自旋锁大，因为信号量使线程进入休眠状态以后会切换线程，切换线程就会有开销。总结一下信号量的特点：
①、因为信号量可以使等待资源线程进入休眠状态，因此适用于那些占用资源比较久的场合。
②、因此信号量不能用于中断中，因为信号量会引起休眠，中断不能休眠。
③、如果共享资源的持有时间比较短，那就不适合使用信号量，因为频繁的休眠、切换线程引起的开销要远大于信号量带来的那点优势。
信号量有一个信号量值，相当于一个房子有 10 把钥匙，这 10 把钥匙就相当于信号量值为10。因此，可以通过信号量来控制访问共享资源的访问数量，如果要想进房间，那就要先获取一把钥匙，信号量值减 1，直到 10 把钥匙都被拿走，信号量值为 0，这个时候就不允许任何人
进入房间了，因为没钥匙了。如果有人从房间出来，那他要归还他所持有的那把钥匙，信号量值加 1，此时有 1 把钥匙了，那么可以允许进去一个人。相当于通过信号量控制访问资源的线程数，在初始化的时候将信号量值设置的大于 1，那么这个信号量就是计数型信号量，计数型信号量不能用于互斥访问，因为它允许多个线程同时访问共享资源。如果要互斥的访问共享资源那么信号量的值就不能大于 1，此时的信号量就是一个二值信号量。

信号量 API 函数：
Linux 内核使用 semaphore 结构体表示信号量，结构体内容如下所示：

struct semaphore {
	raw_spinlock_t lock;
	unsigned int count;
	struct list_head wait_list;
};

函数描述DEFINE_SEAMPHORE(name)定义一个信号量，并且设置信号量的值为 1。void sema_init(struct semaphore *sem, int val)初始化信号量 sem，设置信号量值为 val。void down(struct semaphore *sem)获取信号量，因为会导致休眠，因此不能在中断中使用。int down_trylock(struct semaphore *sem);尝试获取信号量，如果能获取到信号量就获取，并且返回 0。如果不能就返回非 0，并且不会进入休眠。 可以在中断上下文中使用。int down_interruptible(struct semaphore *sem)获取信号量，和 down 类似，只是使用 down 进入休眠状态的线程不能被信号打断。而使用此函数进入休眠以后是可以被信号打断的。信号也会导致该函数返回，这时候函数的返回值非0。void up(struct semaphore *sem)释放信号量

信号量的使用如下所示：

struct semaphore sem; 

sema_init(&sem, 1); 

down(&sem); 

up(&sem);