Linux内核处理并发和竞争的几种方法
linux是一个多任务操作系统，肯定会存在多个任务共同操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。
并发就是多个“用户”同时访问同一个共享资源，linux 系统是个多任务操作系统，会存在多个任务同时访问同一片内存区域，这些任务可能会相互覆盖这段内存中的数据，造成内存数据混乱。针对这个问题必须要做处理，严重的话可能会导致系统崩溃。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：
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。
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。
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。
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。
并发访问带来的问题就是竞争，在编写驱动的时候要适当处理。并发和竞争往往不容易查找，导致驱动调试难度加大、费时费力。并发和竞争保护的不是代码，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。
解决并发和竞争有不同的处理方式，这里主要讲：原子操作、自旋锁、信号量、互斥体。
原子操作
原子操作就是指不能再进一步分割的操作，一般原子操作用于变量或者位操作。简单理解就是在汇编指令下是一条指令，这样就可以避免在多线程的时候被干扰导致异常。
原子整形操作 api 函数
linux 内核定义了叫做 atomic_t 的结构体来完成整形数据的原子操作，在使用中用原子变量来代替整形变量，此结构体定义在 include/linux/types.h 文件中，定义如下：
typedef struct { int counter;} atomic_t;// 简单使用atomic_t v = atomic_init(0); /* 定义并初始化原子变零 v=0 */atomic_set(&v, 10); /* 设置 v=10 */atomic_read(&v); /* 读取 v 的值，肯定是 10 */atomic_inc(&v); /* v 的值加 1，v=11 */
常用api：
位操作也是很常用的操作，linux 内核也提供了一系列的原子位操作 api 函数，只不过原子位操作不像原子整形变量那样有个 atomic_t 的数据结构，原子位操作是直接对内存进行操作：
自旋锁
原子操作只能对整形变量或者位进行保护，但是，在实际的使用环境中怎么可能只有整形变量或位这么简单的临界区。这就引出锁机制，在 linux内核中就是自旋锁。当一个线程要访问某个共享资源的时候首先要先获取相应的锁，锁只能被一个线程持有，只要此线程不释放持有的锁，那么其他的线程就不能获取此锁。
对于自旋锁而言，如果自旋锁正在被线程 a 持有，线程 b 想要获取自旋锁，那么线程 b 就会处于忙循环-旋转-等待状态，线程 b 不会进入休眠状态或者说去做其他的处理，而是会一直傻傻的在那里“转圈圈”的等待锁可用。自旋锁的“自旋”也就是“原地打转”的意思，“原地打转”的目的是为了等待自旋锁可以用，可以访问共享资源。
自旋锁的一个缺点：那就等待自旋锁的线程会一直处于自旋状态，这样会浪费处理器时间，降低系统性能，所以自旋锁的持有时间不能太长。所以自旋锁适用于短时期的轻量级加锁，如果遇到需要长时间持有锁的场景那就需要换其他的方法了。
linux 内核使用结构体 spinlock_t 表示自旋锁，结构体定义如下所示：
typedef struct spinlock { union { struct raw_spinlock rlock;#ifdef config_debug_lock_alloc#define lock_padsize (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map)) struct { u8 __padding[lock_padsize]; struct lockdep_map dep_map; };#endif };} spinlock_t; 在使用自旋锁之前，肯定要先定义一个自旋锁变量，定义方法如下所示： spinlock_t lock; //定义自旋锁 定义好自旋锁变量以后就可以使用相应的 api 函数来操作自旋锁。
自旋锁 api 函数
自旋锁会自动禁止抢占，也就说当线程 a得到锁以后会暂时禁止内核抢占。如果线程 a 在持有锁期间进入了休眠状态，那么线程 a 会自动放弃 cpu 使用权。线程 b 开始运行，线程 b 也想要获取锁，但是此时锁被 a 线程持有，而且内核抢占还被禁止了！线程 b 无法被调度出去，那么线程 a 就无法运行，锁也就无法释放，就容易发生死锁！
最好的解决方法就是获取锁之前关闭本地中断，linux 内核提供了相应的 api 函数：
使用 spin_lock_irq/spin_unlock_irq 的时候需要用户能够确定加锁之前的中断状态，但实际上内核很庞大，运行也是“千变万化”，我们是很难确定某个时刻的中断状态，因此不推荐使用spin_lock_irq/spin_unlock_irq。建议使用 spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore，因为这一组函数会保存中断状态，在释放锁的时候会恢复中断状态。一般在线程中使用 spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore，在中断中使用 spin_lock/spin_unlock：
下半部里面使用自旋锁，可以使用的 api 函数：
信号量
linux 内核也提供了信号量机制，信号量常常用于控制对共享资源的访问。相比于自旋锁，信号量可以使线程进入休眠状态，使用信号量会提高处理器的使用效率，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。
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了，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 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;};要想使用信号量就得先定义，然后初始化信号量。有关信号量的 api 函数：
信号量的使用：
// 简单使用struct semaphore sem; /* 定义信号量 */sema_init(&sem, 1); /* 初始化信号量 */down(&sem); /* 申请信号量 *//* 临界区 */up(&sem); /* 释放信号量 */ 互斥体
将信号量的值设置为 1 就可以使用信号量进行互斥访问了，虽然可以通过信号量实现互斥，但是 linux 提供了一个比信号量更专业的机制来进行互斥，它就是互斥体—mutex。互斥访问表示一次只有一个线程可以访问共享资源，不能递归申请互斥体。在我们编写 linux 驱动的时候遇到需要互斥访问的地方建议使用 mutex。linux 内核使用 mutex 结构体表示互斥体： struct mutex { /* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */ atomic_t count; spinlock_t wait_lock;};
在使用 mutex 之前要先定义一个 mutex 变量。在使用 mutex 的时候要注意如下几点：
①、mutex 可以导致休眠，因此不能在中断中使用 mutex，中断中只能使用自旋锁。
②、和信号量一样，mutex 保护的临界区可以调用引起阻塞的 api 函数。
③、因为一次只有一个线程可以持有 mutex，因此，必须由 mutex 的持有者释放 mutex。并且 mutex 不能递归上锁和解锁。
互斥体 api 函数
互斥体的使用如下：
struct mutex lock; /* 定义一个互斥体 */mutex_init(&lock); /* 初始化互斥体 */mutex_lock(&lock); /* 上锁 *//* 临界区 */mutex_unlock(&lock); /* 解锁 */ linux 内核还有很多其他的处理并发和竞争的机制，常用的方法有原子操作、自旋锁、信号量和互斥体。
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并发就是多个“用户”同时访问同一个共享资源，linux 系统是个多任务操作系统，会存在多个任务同时访问同一片内存区域，这些任务可能会相互覆盖这段内存中的数据，造成内存数据混乱。针对这个问题必须要做处理，严重的话可能会导致系统崩溃。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：
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。
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。
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。
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。
并发访问带来的问题就是竞争，在编写驱动的时候要适当处理。并发和竞争往往不容易查找，导致驱动调试难度加大、费时费力。并发和竞争保护的不是代码，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。
解决并发和竞争有不同的处理方式，这里主要讲：原子操作、自旋锁、信号量、互斥体。
原子操作
原子操作就是指不能再进一步分割的操作，一般原子操作用于变量或者位操作。简单理解就是在汇编指令下是一条指令，这样就可以避免在多线程的时候被干扰导致异常。
原子整形操作 api 函数
linux 内核定义了叫做 atomic_t 的结构体来完成整形数据的原子操作，在使用中用原子变量来代替整形变量，此结构体定义在 include/linux/types.h 文件中，定义如下：
typedef struct { int counter;} atomic_t;// 简单使用atomic_t v = atomic_init(0); /* 定义并初始化原子变零 v=0 */atomic_set(&v, 10); /* 设置 v=10 */atomic_read(&v); /* 读取 v 的值，肯定是 10 */atomic_inc(&v); /* v 的值加 1，v=11 */
常用api：
位操作也是很常用的操作，linux 内核也提供了一系列的原子位操作 api 函数，只不过原子位操作不像原子整形变量那样有个 atomic_t 的数据结构，原子位操作是直接对内存进行操作：
自旋锁
原子操作只能对整形变量或者位进行保护，但是，在实际的使用环境中怎么可能只有整形变量或位这么简单的临界区。这就引出锁机制，在 linux内核中就是自旋锁。当一个线程要访问某个共享资源的时候首先要先获取相应的锁，锁只能被一个线程持有，只要此线程不释放持有的锁，那么其他的线程就不能获取此锁。
对于自旋锁而言，如果自旋锁正在被线程 a 持有，线程 b 想要获取自旋锁，那么线程 b 就会处于忙循环-旋转-等待状态，线程 b 不会进入休眠状态或者说去做其他的处理，而是会一直傻傻的在那里“转圈圈”的等待锁可用。自旋锁的“自旋”也就是“原地打转”的意思，“原地打转”的目的是为了等待自旋锁可以用，可以访问共享资源。
自旋锁的一个缺点：那就等待自旋锁的线程会一直处于自旋状态，这样会浪费处理器时间，降低系统性能，所以自旋锁的持有时间不能太长。所以自旋锁适用于短时期的轻量级加锁，如果遇到需要长时间持有锁的场景那就需要换其他的方法了。
linux 内核使用结构体 spinlock_t 表示自旋锁，结构体定义如下所示：
typedef struct spinlock { union { struct raw_spinlock rlock;#ifdef config_debug_lock_alloc#define lock_padsize (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map)) struct { u8 __padding[lock_padsize]; struct lockdep_map dep_map; };#endif };} spinlock_t; 在使用自旋锁之前，肯定要先定义一个自旋锁变量，定义方法如下所示： spinlock_t lock; //定义自旋锁 定义好自旋锁变量以后就可以使用相应的 api 函数来操作自旋锁。
自旋锁 api 函数
自旋锁会自动禁止抢占，也就说当线程 a得到锁以后会暂时禁止内核抢占。如果线程 a 在持有锁期间进入了休眠状态，那么线程 a 会自动放弃 cpu 使用权。线程 b 开始运行，线程 b 也想要获取锁，但是此时锁被 a 线程持有，而且内核抢占还被禁止了！线程 b 无法被调度出去，那么线程 a 就无法运行，锁也就无法释放，就容易发生死锁！
最好的解决方法就是获取锁之前关闭本地中断，linux 内核提供了相应的 api 函数：
使用 spin_lock_irq/spin_unlock_irq 的时候需要用户能够确定加锁之前的中断状态，但实际上内核很庞大，运行也是“千变万化”，我们是很难确定某个时刻的中断状态，因此不推荐使用spin_lock_irq/spin_unlock_irq。建议使用 spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore，因为这一组函数会保存中断状态，在释放锁的时候会恢复中断状态。一般在线程中使用 spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore，在中断中使用 spin_lock/spin_unlock：
下半部里面使用自旋锁，可以使用的 api 函数：
信号量
linux 内核也提供了信号量机制，信号量常常用于控制对共享资源的访问。相比于自旋锁，信号量可以使线程进入休眠状态，使用信号量会提高处理器的使用效率，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。
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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了，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 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;};要想使用信号量就得先定义，然后初始化信号量。有关信号量的 api 函数：
信号量的使用：
// 简单使用struct semaphore sem; /* 定义信号量 */sema_init(&sem, 1); /* 初始化信号量 */down(&sem); /* 申请信号量 *//* 临界区 */up(&sem); /* 释放信号量 */ 互斥体
将信号量的值设置为 1 就可以使用信号量进行互斥访问了，虽然可以通过信号量实现互斥，但是 linux 提供了一个比信号量更专业的机制来进行互斥，它就是互斥体—mutex。互斥访问表示一次只有一个线程可以访问共享资源，不能递归申请互斥体。在我们编写 linux 驱动的时候遇到需要互斥访问的地方建议使用 mutex。linux 内核使用 mutex 结构体表示互斥体： struct mutex { /* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */ atomic_t count; spinlock_t wait_lock;};
在使用 mutex 之前要先定义一个 mutex 变量。在使用 mutex 的时候要注意如下几点：
①、mutex 可以导致休眠，因此不能在中断中使用 mutex，中断中只能使用自旋锁。
②、和信号量一样，mutex 保护的临界区可以调用引起阻塞的 api 函数。
③、因为一次只有一个线程可以持有 mutex，因此，必须由 mutex 的持有者释放 mutex。并且 mutex 不能递归上锁和解锁。
互斥体 api 函数
互斥体的使用如下：
struct mutex lock; /* 定义一个互斥体 */mutex_init(&lock); /* 初始化互斥体 */mutex_lock(&lock); /* 上锁 *//* 临界区 */mutex_unlock(&lock); /* 解锁 */ linux 内核还有很多其他的处理并发和竞争的机制，常用的方法有原子操作、自旋锁、信号量和互斥体。
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