《Linux设备驱动程序》第五章 并发和竞态读书笔记

• 并发及其管理
  • 竞态通常作为对资源的共享访问结果而产生
  • 当两个执行线程需要访问相同的数据结构（或硬件资源）时，混合的可能性就永远存在
  • 只要可能就应该避免资源的共享
  • 共享通常是必需的，硬件资源本质上就是共享的
  • 访问管理的常见技术称为“锁定”或者“互斥”
• 信号量和互斥体
  • 建立临界区：在任意给定的时刻，代码只能被一个线程执行
  • 可以使用一种锁定机制，当进程在等待对临界区的访问时，此机制可让进程进入休眠状态
  • 最合适的机制是信号量（semaphore）
  • 一个信号量本质上是一个整数值，它和一对函数联合使用，这一对函数通常称为P和V
  • 当信号量用于互斥时，信号量的值应初始化为1，这种信号量有时也称为“互斥体（mutex）”
  • Linux信号量的实现
    • <asm/semaphore.h>
    • struct semaphore;
    • void sema_init(struct semaphore *sem, int val);
    • DECLARE_MUTEX(name);
      • 称为name的信号量变量被初始化为1
    • DECLARE_MUTEX_LOCKED(name);
      • 称为name的信号量变量被初始化为0
    • void init_MUTEX(struct semaphore *sem);
    • void init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *sem);
    • void down(struct semaphore *sem);
      • 一直等待
    • int down_interruptible(struct semaphore *sem);
      • 操作是可中断的
      • 如果操作被中断，该函数会返回非零值
    • int down_trylock(struct semaphore *sem);
      • 永远不会休眠
      • 如果信号量在调用时不可获得，会立即返回一个非零值
    • void up(struct semaphore *sem);
  • 读取者/写入者信号量
    • 一些任务只需要读取受保护的数据结构，而其他的则必须做出修改
    • Linux内核提供了一种特殊的信号量类型，称为“rwsem”
    • <linux/rwsem.h>
    • struct rw_semaphore;
    • void init_rwsem(struct rw_semaphore *sem);
    • void down_read(struct rw_semaphore *sem);
      • 只读访问，可和其他读取者并发地访问
    • int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem);
      • 在授予访问时返回非零，其他情况下返回零
    • 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);
    • 最好在很少需要写访问且写入者只会短期拥有信号量的时候使用rwsem

• completion
  • 内核编程中常见的一种模式是，在当前线程之外初始化某个活动，然后等待该活动的结束
  • <linux/completion.h>
  • DECLARE_COMPLETION(my_completion);
  • init_completion(struct completion *c);
  • void wait_for_completion(struct completion *c);
    • 非中断的等待
  • void complete(struct completion *c);
  • void complete_all(struct completion *c);
  • 一个completion通常是一个单次（one-shot）设备
  • 如果没有使用complete_all，可以重复使用一个complete结构
  • 如果使用了complete_all，则必须在重复使用该结构之前重新初始化它
  • INIT_COMPLETE(struct completion c);
  • void complete_and_exit(struct completion *c, long retval);
• 自旋锁
  • 自旋锁可在不能休眠的代码中使用，比如中断处理例程
  • 可提供比信号量更高的性能
  • 一个自旋锁是一个互斥设备，它只能有两个值：锁定和解锁
  • 通常实现为某个整数值中的单个位
  • 如果锁可用，则“锁定”位被设置，而代码继续进入临界区
  • 如果锁被其他人获得，则代码进入忙循环并重复检查这个锁，直到该锁可用为止，这个循环就是自旋锁的“自旋”部分
  • “测试并设置”的操作必须以原子方式完成
  • 在超线程处理器上，还必须仔细处理以避免死锁，超线程处理器可实现多个虚拟的CPU，它们共享单个处理器核心及缓存
  • 自旋锁API介绍
    • <linux/spinlock.h>
    • spinlock_t
    • spinlock_t my_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
    • void spin_lock_init(spinlock_t *lock);
    • void spin_lock(spinlock_t *lock);
      • 不可中断
      • 在获得锁之前一直处于自旋状态
    • void spin_unlock(spinlock_t *lock);
  • 自旋锁和原子上下文
    • 任何拥有自旋锁的代码都必须是原子的，不能休眠，不能因为任何原因放弃处理器，除了服务中断之外
  • 自旋锁函数
    • void spin_lock(spinlock_t *lock);
    • void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags);
      • 在获得自旋锁之前禁止中断，而先前的中断状态保存在flags中
    • void spin_lock_irq(spinlock_t *lock);
    • void spin_lock_bh(spinlock_t *lock);
      • 在获得锁之前禁止软件中断
    • void spin_unlock(spinlock_t *lock);
    • void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags);
      • flags参数必须是传递给spin_lock_irqsave的同一个变量
    • void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock);
    • void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock);
    • int spin_trylock(spinlock_t *lock);
      • 成功时返回非零值，否则返回零
    • int spin_trylock_bh(spinlock_t *lock);
      • 成功时返回非零值，否则返回零
  • 读取值/写入者自旋锁
    • <linux/spinlock.h>
    • rwlock_t
    • rwlock_t my_rwlock = RW_LOCK_UNLOCKED;
    • void rwlock_init(rwlock_t * lock);
    • void read_lock(rwlock_t *lock);
    • void read_lock_irqsave(rwlock_t *lock, unsigned long flags);
    • void read_lock_irq(rwlock_t *lock);
    • void read_lock_bh(rwlock_t *lock);
    • void read_unlock(rwlock_t *lock);
    • void read_unlock_irqrestore(rwlock_t *lock, unsigned long flags);
    • void read_unlock_irq(rwlock_t *lock);
    • void read_unlock_bh(rwlock_t *lock);
    • void write_lock(rwlock_t *lock);
    • void write_lock_irqsave(rwlock_t *lock, unsigned long flags);
    • void write_lock_irq(rwlock_t *lock);
    • void write_lock_bh(rwlock_t *lock);
    • int write_trylock(rwlock_t *lock);
    • void write_unlock(rwlock_t *lock);
    • void write_unlock_irqrestore(rwlock_t *lock, unsigned long flags);
    • void write_unlock_irq(rwlock_t *lock);
    • void write_unlock_bh(rwlock_t *lock);
    • 读取者/写入者锁可能造成读取者饥饿
• 锁陷阱
  • 不明确的规则
    • 不论是信号量还是自旋锁，都不允许锁拥有者第二次获得这个锁，如果试图这样做，系统将挂起
  • 锁的顺序规则
    • 在必须获取多个锁时，应该始终以相同的顺序获得
    • 如果必须获得一个局部锁以及一个属于内核更中心位置的锁，则应该首先获取自己的局部锁
    • 如果拥有信号量和自旋锁的组合，则必须首先获得信号量
  • 细粒度锁和粗粒度锁的对比
    • 细粒度锁具有良好的伸缩性
    • 细粒度锁将带来某种程序的复杂性
    • 应该在最初使用粗粒度的锁
    • 使用lockmeter工具可度量内核花费在锁上的时间
      • http://oss.sgi.com/projects/lockmeter/
• 除了锁之外的方法
  • 免锁算法
    • 经常用于免锁的生产者/消费者任务的数据结构之一是循环缓冲区
  • 原子变量
    • <asm/atomic.h>
    • atomic_t
    • 一个atomic_t变量保存一个int值，但不能记录大于24位的整数
    • void atomic_set(atomic_t *v, int i);
    • atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);
    • int atomic_read(atomic_t *v);
    • void atomic_add(int i, atomic_t *v);
    • void atomic_sub(int i, atomic_t *v);
    • void atomic_inc(atomic_t *v);
    • void atomic_dec(atomic_t *v);
    • int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);
    • int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);
    • int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);
    • int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v);
    • int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);
    • int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);
    • int atomic_inc_return(atomic_t *v);
    • int atomic_dec_return(atomic_t *v);
    • 需要多个atomic_t变量的操作，仍然需要某种类型的锁
  • 位操作
    • <asm/bitops.h>
    • nr参数通常被定义为int，但在少数架构上被定义为unsigned long
    • void set_bit(nr, void *addr);
    • void clear_bit(nr, void *addr);
    • void change_bit(nr, void *addr);
    • test_bit(nr, void *addr);
    • int test_and_set_bit(nr, void *addr);
    • int test_add_clear_bit(nr, void *addr);
    • int test_and_change_bit(nr, void *addr);
  • seqlock
    • 允许读取者对资源的自由访问，但需要读取者检查是否和写入者发生冲突
    • <linux/seqlock.h>
    • seqlock_t
    • seqlock_t lock1 = SEQLOCK_UNLOCKED;
    • void seqlock_init(seqlock_t *lock);
    • unsigned int read_seqbegin(seqlock_t *lock);
    • int read_seqretry(seqlock_t *lock, unsigned int seq);
    • unsigned int read_seqbegin_irqsave(seqlock_t *lock, unsigned long flags);
    • int read_seqretry_irqrestore(seqlock_t *lock, unsigned int seq, unsigned long flags);
    • void write_seqlock(seqlock_t *lock);
    • void write_sequnlock(seqlock_t *lock);
    • void write_seqlock_irqsave(seqlock_t *lock, unsigned long flags);
    • void write_seqlock_irq(seqlock_t *lock);
    • void write_seqlock_bh(seqlock_t *lock);
    • void write_sequnlock_irqrestore(seqlock_t *lock, unsigned long flags);
    • void write_sequnlock_irq(seqlock_t *lock);
    • void write_sequnlock_bh(seqlock_t *lock);
  • 读取-复制-更新
    • read-copy-update（RCU）也是一种高级的互斥机制
    • 很少在驱动程序中使用
    • http://www.rdrop.com/users/paulmck/rclock/intro/rclock_intro.html
    • 针对经常发生读取而很少写入的情形做了优化
    • 被保护的资源应该通过指针访问
    • 在需要修改该数据结构时，写入线程首先复制，然后修改副本，之后用新的版本替代相关指针。当确信老的版本没有其他引用时，就可释放老的版本
    • <linux/rcupdate.h>
    • rcu_read_lock
    • rcu_read_unlock
    • void call_rcu(struct rcu_head head, void (func)(void arg), void arg);