1.概念：并發(fā)：多個(gè)執(zhí)行單元同時(shí)發(fā)生；注意：執(zhí)行單元包括硬件中斷、軟件中斷、多進(jìn)程(進(jìn)程的搶占通過中斷實(shí)現(xiàn)),

竟態(tài)：并發(fā)的多個(gè)執(zhí)行單元同時(shí)訪問共享資源，引起的競爭狀態(tài)

形成竟態(tài)條件：1一定要有并發(fā)情況2一定要有共享資源 硬件資源（小到寄存器的而某個(gè)bit位）軟件上的全局變量，例如open_cnt3并發(fā)的多個(gè)執(zhí)行單元要同時(shí)訪問共享資源

互斥訪問：當(dāng)多個(gè)執(zhí)行單元對共享資源進(jìn)行訪問時(shí)，只能允許一個(gè)執(zhí)行單元對共享資源進(jìn)行訪問，其他執(zhí)行單元被禁止訪問！

互斥：指多個(gè)進(jìn)程不能同時(shí)使用同一個(gè)資源；

死鎖：指多個(gè)進(jìn)程互不相讓，都得不到足夠的資源；

饑餓：指一個(gè)進(jìn)程一直得不到資源（其他進(jìn)程可能輪流占用資源）

臨界資源：系統(tǒng)中某些資源一次只允許一個(gè)進(jìn)程使用，稱這樣的資源為臨界資源或互斥資源或共享變量

臨界區(qū)：訪問共享資源的代碼區(qū)域，所以互斥訪問就是對臨界區(qū)的互斥訪問！

進(jìn)程的同步（直接制約）：synchronism

指系統(tǒng)中一些進(jìn)程需要相互合作，共同完成一項(xiàng)任務(wù)。具體說，一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行到某一點(diǎn)時(shí)要求另一伙伴進(jìn)程為它提供消息，在未獲得消息之前，該進(jìn)程處于等待狀態(tài)，獲得消息后被喚醒進(jìn)入就緒態(tài)。同步是指在互斥的基礎(chǔ)上（大多數(shù)情況），通過其它機(jī)制實(shí)現(xiàn)訪問者對資源的有序訪問。在大多數(shù)情況下，同步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了互斥，特別是所有寫入資源的情況必定是互斥的。少數(shù)情況是指可以允許多個(gè)訪問者同時(shí)訪問資源。

進(jìn)程的互斥（間接制約）mutual exclusion

由于各進(jìn)程要求共享資源，而有些資源需要互斥使用，因此各進(jìn)程間競爭使用這些資源，進(jìn)程的這種關(guān)系為進(jìn)程的互斥。某一資源同時(shí)只允許一個(gè)訪問者對其進(jìn)行訪問，具有唯一性和排它性。但互斥無法限制訪問者對資源的訪問順序，即訪問是無序的。

例如：

cpu讀取數(shù)據(jù)到寄存器，修改數(shù)據(jù)，寫回?cái)?shù)據(jù)

static?int?open_cnt=1;

int?uart_open(struct?inode*inode,struct?file?*file){

???unsigned?long?flags;

???local_irq_save(flags);?//屏蔽中斷?

if(--open_cnt!=0)

{

printk("已經(jīng)被打開！n");

open_cnt++;

//local_irq_retore(flags);//使能中斷

rerturn?-EBUSY;

}

local_irq_retore(flags);//使能中斷

printk("打開成功n");

return?0;

}

由于linux內(nèi)核支持進(jìn)程之間的搶占，當(dāng)A在執(zhí)行以上臨界區(qū)時(shí)，一定要進(jìn)行互斥訪問，不讓B進(jìn)程發(fā)生搶占情況，保證A的執(zhí)行路徑不被打斷！?

總結(jié)：互斥訪問本質(zhì)上其實(shí)就是讓臨界區(qū)的而執(zhí)行路徑具有原子性（不可再發(fā)-不能被打斷）。

?

問題：如何做到一個(gè)執(zhí)行單元在訪問臨界區(qū)。其他執(zhí)行單元不被打斷正在訪問臨界區(qū)的執(zhí)行單元的路徑呢？強(qiáng)調(diào)：執(zhí)行單元：中斷和進(jìn)程。

?

2.linux內(nèi)核產(chǎn)生竟態(tài)的情形

第一種是多核（多cpu），多個(gè)cpu他們共享系統(tǒng)總線，共享內(nèi)存，外存，系統(tǒng)io單只竟態(tài)；

第二種是單cpu的進(jìn)程之間的搶占（必須具備搶占，搶占的原因是進(jìn)程能夠指定優(yōu)先級），

由于linux內(nèi)核支持進(jìn)程的搶占，多個(gè)進(jìn)程訪問共享資源，并且有搶占，也會產(chǎn)生竟態(tài)；

第三種情形是中斷（硬件中斷，軟中斷）和進(jìn)程也會形成竟態(tài)（中斷的優(yōu)先級高于進(jìn)程）

第四種是中斷和中斷.硬件中斷優(yōu)先級高于軟中斷，軟中斷又分優(yōu)先級。

?

3.linux內(nèi)核解決竟態(tài)的方法：

這些方法的本質(zhì)目的就是讓臨界區(qū)的訪問具有原子性。

1.中斷屏蔽?2.原子操作?3.自旋鎖?4.信號量

1.中斷操作：屏蔽的硬件中斷和軟中斷

能夠解決竟態(tài)情形：1進(jìn)程與進(jìn)程之間的搶占（由于linux進(jìn)程的調(diào)度，搶占都是基于軟中斷實(shí)現(xiàn)）2中斷和進(jìn)程?3中斷和中斷?中斷發(fā)生時(shí)會向多個(gè)cpu發(fā)送中斷信號.

linux內(nèi)核提供相關(guān)的中斷屏蔽的方法：#include?

1.屏蔽中斷

unsigned?long?flsgs；

local_irq_disable()；//屏蔽中斷

local_irq_save(floags)；//屏蔽中斷并且保存中斷狀態(tài)到flags中

2.使能中斷

unsigned?long?flags；

local_irq_enable();//使能中斷

local_irq_restore(flags);?//使能中斷，并且從flags中恢復(fù)屏蔽中斷前保存的中斷狀態(tài)

?linux內(nèi)核中斷屏蔽的使用方法：

????1.臨界區(qū)之前屏蔽中斷

????2.執(zhí)行臨界區(qū),中斷不能被打斷，進(jìn)程的搶占也不能發(fā)生

????3.臨界區(qū)之后恢復(fù)中斷

2.原子操作：

筆試題：請實(shí)現(xiàn)將一個(gè)數(shù)的某個(gè)bit置1或者清0；?

第一個(gè)：

int?data?=0x1234；data?|=（1<<5）；data?&=~(1<<5);

第二個(gè)

void?set_bit(int?nbit,int?*data){

.....

}?

第三個(gè)：

void?set_bit(int?nbit,void?*data){

?....

}?

第四個(gè)：

#define?SET_BIT(nr,data)......

基于linux系統(tǒng)的參考答案(GNU?C)--析取c++的優(yōu)秀代碼：

inline?void?set_bit(int?nr,void?*data){

.....

}?

linux內(nèi)核原子操作：

原子操作能夠解決所有竟態(tài)問題：

原子操作分為：位原子操作?整形原子操作

1位原子操作：如果以后驅(qū)動中對共享資源進(jìn)行位操作，并且為了避免竟態(tài)問題，一定要使用內(nèi)核提供的位原子操作的方法，保證位操作的方法，保證位操作的過程是原子的，不能自己去實(shí)現(xiàn)位操作，例如：

static?int?data；?//全局變量，共享資源?

//臨界區(qū)

data?|=（1<<5）;?//這個(gè)代碼不是原子的，有可能被別的任務(wù)打斷！

如果不考慮多核引起的竟態(tài)，還有一種通過中斷屏蔽（屏蔽只是單核）來解決以上代碼的竟態(tài)問題：

insigned?long?flags;

local_irq_save(flags);

data?|=(1<<5);

local_irq_restore(flags);

以上代碼無法表面多核引起的竟態(tài)！?

內(nèi)核提供的位原子操作的方法：

#include?

set_bit/clear_bit/change_bit/test_bit組合函數(shù)

Tset_and_set_bit/test_and_clear_bit/test_and_change_bit

對于data進(jìn)行位操作的正確方法

static?int?data；????//將data數(shù)據(jù)的第5位設(shè)置為1

set_bit(5,&data)；?//這個(gè)代碼時(shí)原子的，不能被別的任務(wù)打斷?

注意：以上函數(shù)在多核cpu情況下，會使用兩條arm的原子指令：ldrex，strex，這個(gè)兩條保證在cpu那一級別能夠避免竟態(tài)，以上函數(shù)都是采用c的內(nèi)嵌匯編來實(shí)現(xiàn)，如果用c語言來實(shí)現(xiàn)，編譯器肯定用ldr，str，但這個(gè)兩條指令不能避免竟態(tài)！

?

案例：利用位原子操作將0x5555->0xaaaa,不允許使用change_bit函數(shù)！取反操作

?

2整形原子操作：

如果以后驅(qū)動程序中，涉及的共享資源是整型數(shù)，就是原型要定義為char?short?int

long型的數(shù)據(jù)，并且他們是共享資源，為了避免竟態(tài)，可以考慮使用內(nèi)核提供的整型原子

操作機(jī)制來避免竟態(tài)問題。說白了就是將原先的char?short?int?long型換成atomic_t數(shù)據(jù)類型即可，然后配合內(nèi)核提供的整型原子操作的函數(shù)對整型變量進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。

?

整形原子變量數(shù)據(jù)類型定義#include?

typedef?struct{

volatile?int?counter;

}atomic_t；

?

如何使用：分配整型原子變量atomic_t?v;

進(jìn)行對整型變量的操作：

atomic_set/atomic_read/atomic_add/atomi_sub/atomic_inc/atomic_dec、/atomic_inc_and_test。。

對整型變量的操作一定要使用以上的函數(shù)進(jìn)行，保證具有原子性。不能使用如下代碼：

static?int?data；?//全局變量，共享資源?

//臨界區(qū)

data++;//不是原子的！有可能被打斷?

解決的方法：如果不考慮多核：

unsigned?long?flags；

local_irq_save(flags);

data++;

loacl_irq_restore(flags);

如果考慮多核：atomic?data；atomic_inc(&data);?

注意：以上整型原子操作的函數(shù)，如果在多核情況下，他們的實(shí)現(xiàn)都是c的內(nèi)嵌匯編

來實(shí)現(xiàn)的，都調(diào)用了ldrex，strex來避免竟態(tài).

?

案例;實(shí)現(xiàn)led燈驅(qū)動，要求這個(gè)設(shè)備只能被一個(gè)應(yīng)用程序打開

分析：明確：app會調(diào)用open開發(fā)設(shè)備，close關(guān)閉設(shè)備

驅(qū)動：一定要提供對應(yīng)的底層open，close的實(shí)現(xiàn)，注意不能省略

底層的這兩個(gè)函數(shù)，因?yàn)樾枰诘讓拥膐pen，close函數(shù)中做一些用戶需求的代碼（設(shè)備只能被一個(gè)應(yīng)用程序打開）

方案：static?int?open_cnt;?//可以采用中斷

方案;static?atomic_t?open_cnt;?//利用整型原子操作 top查看進(jìn)程狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)步驟：

1.insmod?led_drv.ko

2.cat?/proc/devices?//查看申請的主設(shè)備號

3.cat?/sys/class/myleds/myled/uevent?//查看創(chuàng)建設(shè)備文件的原材料

4.ls?/dev/myled?//查看設(shè)備文件

5../led_test?&、、啟動a進(jìn)程，讓其后臺運(yùn)行，a進(jìn)程進(jìn)入休眠

6.ps?//查看a進(jìn)程的pid

7.top?//查看a進(jìn)程的狀態(tài)和cpu的利用率，內(nèi)存使用率

8../led_test?//啟動b進(jìn)程

9.kill?a進(jìn)程的pid?//殺死a進(jìn)程

?

*******************************************************************************

自旋鎖：等于“自旋”?+?“鎖”

自旋鎖特點(diǎn)：

1.自旋鎖一般要附加在共享資源上；類似光有自行車鎖沒有自行車是沒有意義的！

2.自旋鎖的“自旋”不是鎖在自旋，意思是想獲取的自旋鎖的執(zhí)行的單元，在沒有獲取自旋鎖的情況下，原地打轉(zhuǎn)，忙著等待獲取自旋鎖；

3.一旦一個(gè)執(zhí)行單元獲取了自旋鎖，在執(zhí)行臨界區(qū)時(shí)，不要進(jìn)行休眠操作。?“不夠意思”

4.自旋鎖也是讓臨界區(qū)的訪問具有原子性！

?

linux內(nèi)核如何描述一個(gè)自旋鎖#include?

Typedef?struct?{

Raw_spinlock_t?lock;

}spinlock_t;

Typedef?struct?{

Volatile?unsigned?int?lock;

}raw_spinlock_t;

如何使用自旋鎖來對臨界區(qū)進(jìn)行互斥訪問：

static?int?open_cnt;?//全局變量，共享資源

1.分配自旋鎖spinlock_t?lock

2.初始化自旋鎖spin_lock_init(&lock);

3.訪問臨界區(qū)之前獲取自旋鎖,進(jìn)行鎖定spin_lock(&lock);?//如何執(zhí)行單元獲取自旋鎖，函數(shù)立即返回，如果執(zhí)行單元沒有獲取鎖，執(zhí)行單元不會返回，而是原地打轉(zhuǎn)！處于忙等待，直到持有自旋鎖的執(zhí)行單元釋放自旋鎖或者：

spin_trylock(&lock);?//如果執(zhí)行單元獲取自旋鎖，函數(shù)返回true，如果沒有獲取咨詢所，返回false，不會原地打轉(zhuǎn)！??

4.執(zhí)行臨界區(qū)的代碼

if(--opencnt!=0){

.......

}

這個(gè)過程其他cpu或者本cpu的搶占進(jìn)程就無法執(zhí)行臨界區(qū)，但是還會被中斷鎖打斷！如果考慮中斷的因素，要使用衍生自旋鎖。?

5.釋放自旋鎖

spin_unlock(&lock);?//獲取鎖的執(zhí)行單元釋放鎖，然后等待獲取鎖的執(zhí)行單元停止原地打轉(zhuǎn)而是獲取自旋鎖，然后開始對臨界資源的訪問。?

注意；以上自旋鎖的操作只能解決多cpu和本cpu的進(jìn)程搶占引起的竟態(tài)，但是無法處理中斷(中斷和中斷底半部)引起的競態(tài)，如果考慮到中斷，必須采用衍生自旋鎖！

?

衍生自旋鎖本質(zhì)上其實(shí)就是在普通的自旋鎖的基礎(chǔ)上進(jìn)行屏蔽中斷和使能中斷的動作。

衍生自旋鎖的使用：static?int?open_cnt;?//全局變量，共享資源

1.分配自旋鎖spinlock_t?lock

2.初始化自旋鎖spin_lock_init(&lock);

3.訪問臨界區(qū)之前獲取自旋鎖,進(jìn)行鎖定

spin_lock_irq(&lock);?//屏蔽中斷，獲取自旋鎖

=local_irq_disable()?+?spin_lock()

或者spin_lock_irqsave(&lock,flags);?//屏蔽中斷，保存中斷狀態(tài)，獲取自旋鎖

=?lock_irq_save()?+?spin_lock();?

4.執(zhí)行臨界區(qū)的代碼

if(--opencnt!=0){

.......

}

5.釋放自旋鎖spin_unlock_irq(*lock);?//釋放自旋鎖，使能中斷

Local_irq_disable()?+?spin_lock();

或者spin_unlock_irqrestore(&lock,flags);??//釋放自旋鎖，使能中斷，保存中斷狀態(tài)=?spin_unlock()?+?local_irq_restore();?

注意：衍生自旋鎖能夠解決所有的竟態(tài)問題。

?

自旋鎖使用的注意事項(xiàng)：

1.? 一旦獲取自旋鎖，臨界區(qū)的執(zhí)行速度要快，不能做休眠動作。由于獲取鎖是一直等待,所以臨界區(qū)較大或有共享設(shè)備的時(shí)候,使用自旋鎖會降低系統(tǒng)性能.

2.??????自旋鎖可能導(dǎo)致死鎖:--遞歸調(diào)用,也就是已經(jīng)擁有自旋鎖的CPU想要第二次獲取鎖

--獲取自旋鎖之后再被阻塞,所以,再自旋鎖占有期間,不能調(diào)用可能引起阻塞的函數(shù):如kammoc(),copy_from_uesr()等.?

案例：利用自旋鎖，來實(shí)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備只能被一個(gè)應(yīng)用程序打開

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linux系統(tǒng)進(jìn)程的狀態(tài)：三個(gè)狀態(tài)?

1.進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)，linux系統(tǒng)描述運(yùn)行中的進(jìn)程通過TASK_RUNNING宏來表示！

2.進(jìn)程的準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，linux系統(tǒng)描述準(zhǔn)備就緒用TASK_READY來表示.

3.進(jìn)程的休眠狀態(tài)，進(jìn)程的休眠狀態(tài)又分可中斷的休眠狀態(tài)和不可休眠的。

3.1不可中斷休眠狀態(tài)，linux系統(tǒng)用TASK_UNINTERRUPTIBLE來表示，睡眠期間如果

接受到了信號，不會立即處理信號，但是喚醒以后會判斷是否接受到信號，有，處理信號。

3.2可中斷的休眠狀態(tài)，linux系統(tǒng)用TASK_INTERRUPTIBLE，在休眠期間，如果接受到了信號，會被信號喚醒，并且立即處理信號。

?

信號量--不可以在中斷上下文使用(因?yàn)闀?dǎo)致休眠)

由于自旋鎖在使用的時(shí)候，要求臨界區(qū)不能做休眠操作，但是在某些場合需要在臨界區(qū)做休眠操作，又要考慮竟態(tài)問題，此時(shí)可以使用信號量來保護(hù)臨界區(qū)。

信號量的特定：1.又叫”睡眠鎖“,內(nèi)核的信號量在概念和原理上與用戶態(tài)的信號量是一樣的，但是它不能再內(nèi)核之外使用；

2.如果一個(gè)執(zhí)行但愿你想要獲取信號量，如果信號量已經(jīng)被別的執(zhí)行單元所持有，那么這個(gè)執(zhí)行單元將會進(jìn)入休眠狀態(tài)；直到持有信號量的執(zhí)行單元釋放信號量為止。

3.已經(jīng)獲取信號量的執(zhí)行單元在執(zhí)行臨界區(qū)的代碼時(shí)，也可以進(jìn)行休眠操作！

4.明確信號量能讓進(jìn)程放入一個(gè)等待隊(duì)列中，然后讓其進(jìn)行休眠操作，

?

linux內(nèi)核描述信號量的數(shù)據(jù)類型：#include?

struct?semaphore{

spinlock_t?lock;

unsigned?int?count;

struct?list_head?wait_list;

}；

一般使用方法:DECLARE_MUTEX(semm);//定義一個(gè)互斥信號量

..

Down(&semm);//獲取信號量，保護(hù)臨界區(qū)

Critical section code; //執(zhí)行臨界區(qū)代碼

Up(&semm); //釋放信號量?

如何使用信號量：1.分配信號量struct?semaphore?sema；

2.初始化信號量為互斥信號量init_MUTEX(&sema,1);

3.在訪問臨界區(qū)之前獲取信號量，對臨界區(qū)進(jìn)行鎖定

dowm(&sema);?//獲取信號量?，如果信號量已經(jīng)被別的任務(wù)給持有，d為不可中斷的信號狀態(tài)那么，進(jìn)程將進(jìn)入不可中斷的休眠狀態(tài)；不能使用在中斷上下文。

或者：dowm_interruptible(&sema);?//獲取信號量，如果信號量已經(jīng)被別的任務(wù)給持有，那么進(jìn)程將進(jìn)入可中斷的休眠狀態(tài)；一般在使用的時(shí)候一定要對這個(gè)函數(shù)的返回值進(jìn)行判斷，如果函數(shù)返回0，表明進(jìn)程正常獲取信號量，然后訪問臨界區(qū)；如果函數(shù)返回非0，表明進(jìn)程是由于接受到了信號引起的喚醒：

if(dowm_interruptible(&sema)){

printk("進(jìn)程被喚醒的原因是接受到了信號n");

return?-EINTR;

}

else?{

printk("正常獲取信號量引起的喚醒");

printk("進(jìn)程可以訪問臨界區(qū)");

}?或者：

dowm_trylock(&sema);?//獲取信號量，如果沒有獲取信號量，返回false，

如果獲取信號量，返回true。所以對返回值也要做判斷

if(dowm_trylock(&sema)){

printk("無法獲取信號量");

return?-EBUSY;

}else?{

printk("獲取信號量");

printk("訪問臨界區(qū)");

}

4.訪問臨界區(qū)?

5.釋放信號量up(&sema);?//一方面釋放信號量，另一方面還要喚醒之前休眠的進(jìn)程?

案例；采用信號量，實(shí)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備只能被一個(gè)應(yīng)用程序打開；?一般設(shè)置為可中斷的狀態(tài)

對于這個(gè)案例

gpc0_3

gpio_config{

//gpio共享資源?互斥訪問

unsigned?long?flags;?

local_irq_save(flags);

gpio_set_vluae(0);

udelay(5);?

gpio_set_vluae(1);

udelay(10);

gpio_set_vluae(0);

udelay(15);

........

local_irq_restore(flags);

}