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-并发和竞态控制.ppt
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1、上章回顾上章回顾字符驱动程序开发的基本结构主设备号和次设备号,以及如何分配和释放设备号cdev结构file_operations结构file结构inode结构如何把驱动添加到内核中?应用程序如何使用驱动?并发和竞态控制并发和竞态控制并发和竞态控制并发和竞态控制第3章预习检查预习检查防止竟态的机制有哪些?Semaphore,spinlock,completion,原子操作 等原子操作的意义是什么?操作的不可分割性本章目标本章目标掌握信号量、completion、自旋锁和原子操作等并发控制机制了解如何避免死锁 本章结构本章结构中断屏蔽中断屏蔽 并发和竞态控制并发和竞态控制 信号量和互斥体信号量和互
2、斥体 completion 自旋锁自旋锁 避免死锁规则避免死锁规则原子操作原子操作 seqlockRCU(Read-Copy-Update)并发和竟态并发和竟态3-1 并发和竞态并发和竞态什么是并发?什么是并发?多个执行单元同时、并行被执行。竞态(race conditions)并发的执行单元对共享资源的访问则很容易导致。共享资源:硬件资源,软件上的全局变量、静态变量等Linux内核中,什么情况会发生竞态?内核中,什么情况会发生竞态?对称多处理器(SMP)的多个CPU单CPU内进程与抢占它的进程 中断(硬中断、软中断、Tasklet、底半部)与进程之间 3-1 并发和竞态并发和竞态如何解决竞态
3、问题?如何解决竞态问题?保证对共享资源的互斥访问互斥访问,指一个执行单元在访问共享资源的时候,其他的执行单元被禁止访问。Linux设备驱动中可采用的互斥途径中断屏蔽原子操作自旋锁信号量completion 3-2 中断屏蔽中断屏蔽 中断屏蔽:中断屏蔽:可解决中断与进程之间的并发;也可解决内核抢占进程之间的并发主要函数主要函数 local_irq_disable()/禁止中断local_irq_enable()/打开中断local_irq_save(flags)/禁止中断并保存中断寄存器信息到flagslocal_irq_restore(flags)/打开中断,并恢复flags里的值到中断寄存器
4、local_bh_disable()/仅禁止中断底半部中断local_bh_enable()/打开注意:注意:不要长时间屏蔽中断,由于Linux系统的异步I/O、进程调度等很多重要操作都依赖于中断,在屏蔽中断期间所有的中断都无法得到处理,因此长时间屏蔽中断是很危险的,有可能造成数据丢失甚至系统崩溃。local_irq_disable()/屏蔽中断critical section/临界区local_irq_enable()/打开中断3-3 信号量和互斥体信号量和互斥体 信号量(信号量(semaphore)信号量本质上是一个整数值,一对操作函数通常称为P和V。进入临界区相关信号量上调用P;如果信号
5、量零,则该值会减小一,而进程可以继续。如果信号量的值=零(或更小),进程必须等待直到其他人释放该信号量。退出临界区信号量的解锁通过调用V完成;该函数增加信号量的值,并在必要时唤醒等待的进程。3-3 信号量和互斥体信号量和互斥体 当信号量用于互斥避免多个进程同时在一个临界区中运行信号量的值应初始化为1。只能由单个进程或线程拥有。一个信号量有时也称为一个“互斥体(mutex)”,它是互斥(mutual exclusion)的简称。Linux内核中几乎所有的信号量均用于互斥。103-3 信号量和互斥体信号量和互斥体 初始化初始化信号量信号量信号量类型为struct semaphore;信号量可通过几
6、种途径来声明和初始化:动态的初始化信号量动态的初始化信号量静态的声明互斥信号量:静态的声明互斥信号量:动态的初始化互斥信号量:动态的初始化互斥信号量:void sema_init(struct semaphore*sem,int val);信号量的初始值DECLARE_MUTEX(name);DECLARE_MUTEX_LOCKED(name);声明互斥信号量“name”,并初始化为1void init_MUTEX(struct semaphore*sem);void init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore*sem);3-3 信号量和互斥体信号量和互斥体 获得信号
7、量获得信号量释放信号量释放信号量 void down(struct semaphore*sem);int down_interruptible(struct semaphore*sem);int down_trylock(struct semaphore*sem);减小信号量的值,如果不能获得信号量就一直等待完成和down相同的工作,但操作是可中断的永远不会休眠,如果信号量在调用时不可获得,就会立即返回一个非零值。void up(struct semaphore*sem);3-3 信号量和互斥体信号量和互斥体 使用信号量模板使用信号量模板DECLARE_MUTEX(sem);if(down_i
8、nterruptible(&sem)return ERESTARTSYS;critical sectionup(&sem);定义信号量获取信号量,保护临界区临界区释放信号量3-3 信号量和互斥体信号量和互斥体 读取者读取者/写入者信号量写入者信号量数据类型:数据类型:struct rw_semaphore;初始化:初始化:主要函数:主要函数:void init_rwsem(struct rw_semaphore*sem);void down_read(struct rw_semaphore*sem);int down_read_trylock(struct rw_semaphore*sem);
9、void up_read(struct rw_semaphore*sem);void down_write(struct rw_semaphore*sem);int down_write_trylock(struct rw_semaphore*sem);void up_write(struct rw_semaphore*sem);void downgrade_write(struct rw_semaphore*sem);3-3 信号量和互斥体信号量和互斥体 读取者读取者/写入者信号量实例写入者信号量实例rw_semaphore_t rw_sem;init_rwsem(&rw_sem);/读时获
10、取信号量down_read(&rw_sem);/临界资源up_read(&rw_sem);down_write(&rw_sem);/临界资源up_write(&rw_sem);定义读写信号量初始化读写信号量获取临界资源获取临界资源临界区临界区释放临界资源释放临界资源3-4 completion 一种轻量级的机制它允许一个线程告诉另一线程某个工作已经完成。初始化初始化等待等待completion DECLARE_COMPLETION(xxx_completion);struct completion xxx_completion;init_completion(&xxx_completion);
11、void wait_for_completion(struct completion*c);3-4 completion触发完成触发完成 void complete(struct completion*c);void complete_all(struct completion*c);必须在重复使用该结构之前重新初始化它。必须在重复使用该结构之前重新初始化它。下面这个宏可用来快速执行重新初始化:下面这个宏可用来快速执行重新初始化:INIT_COMPLETION(struct completion c);173-4 completion Completion使用示例使用示例DECLARE_COM
12、PLETION(xxx_comp);ssize_t complete_read(struct file*filp,char _user*buf,size_t count,loff_t*pos)wait_for_completion(&xxx_comp);return 0;ssize_t complete_write(struct file*filp,const char _user*buf,size_t count,loff_t*pos)complete(&xxx_comp);return count;定义并初始化定义并初始化completion等待某个事件完成等待某个事件完成表示某个事件完成
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