驱动-互斥锁

互斥锁可以说是“量值” 为 1 的
信号量， 最终实现的效果相同， 既然有了信号量， 那为什么还要有互斥锁呢？ 这就是我们这里需要了解并掌握的

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参考资料

前面了解了原子操作和自旋锁，当然还有之前的字符设备相关操作，前面基础知识还是需要重点掌握的，才能将知识点串联起来：

接下来还是以前面字符设备 动态参数传递实验为基础，打开访问字符设备实验。 所以以前知识点 建议了解
在字符设备这块内容，所有知识点都是串联起来的，需要整体来理解，缺一不可，建议多了解一下基础知识
驱动-申请字符设备号
驱动-注册字符设备
驱动-创建设备节点
驱动-字符设备驱动框架
驱动-杂项设备
驱动-内核空间和用户空间数据交换
驱动-文件私有数据
Linux驱动之 原子操作
Linux驱动—原子操作
驱动-自旋锁
驱动-自旋锁死锁
驱动-信号量

互斥锁的介绍

• 将信号量量值设置为 1， 最终实现的就是互斥效果， 这里要了解的互斥锁功能相同， 虽然两者功能相同但是具体的实现方式是不同的， 但是使用互斥锁效率更高、更简洁， 所以如果使用到的信号量“量值”为 1，一般将其修改为使用互斥锁实现。当有多个线程几乎同时修改某一个共享数据的时候， 需要进行同步控制。线程同步能够保证多个线程安全访问竞争资源， 最简单的同步机制是引入互斥锁。

• 互斥锁为资源引入一个状态： 锁定或者非锁定。 某个线程要更改共享数据时， 先将其锁定， 此时资源的状态为“锁定” ， 其他线程不能更改；直到该线程释放资源， 将资源的状态变成“非锁定” ， 其他的线程才能再次锁定该资源。 互斥锁保证了每次只有一个线程进行写入操作，从而保证了多线程情况下数据的正确性， 能够保证多个线程访问共享数据不会出现资源竞争及数据错误

互斥锁结构体 - mutex

struct mutex {atomic_t count;          // 锁计数器：1-未锁，0-已锁，负值-有等待者spinlock_t wait_lock;    // 保护等待队列的自旋锁struct list_head wait_list; // 等待该锁的进程队列
};

互斥锁 API

互斥锁实验

源码程序-mutex.c

这个源码程序，用到的还是访问字符设备的最基本内容来讲解，另外添加了 互斥锁api 来规避并发和竞争

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/atomic.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <linux/mutex.h>struct mutex mutex_test;//定义mutex类型的互斥锁结构体变量mutex_teststatic int open_test(struct  inode  *inode,struct file *file){printk("\n this is open_test \n");mutex_lock(&mutex_test);//互斥锁加锁return 0;};static ssize_t read_test(struct file *file,char __user *ubuf,size_t len,loff_t *off)
{int ret;char kbuf[10] = "topeet";//定义char类型字符串变量kbufprintk("\nthis is read_test \n");ret = copy_to_user(ubuf,kbuf,strlen(kbuf));//使用copy_to_user接收用户空间传递的数据if (ret != 0){printk("copy_to_user is error \n");}printk("copy_to_user is ok \n");return 0;
}
static char kbuf[10] = {0};//定义char类型字符串全局变量kbuf
static ssize_t write_test(struct file *file,const char __user *ubuf,size_t len,loff_t *off)
{int ret;ret = copy_from_user(kbuf,ubuf,len);//使用copy_from_user接收用户空间传递的数据if (ret != 0){printk("copy_from_user is error\n");}if(strcmp(kbuf,"topeet") == 0 ){//如果传递的kbuf是topeet就睡眠四秒钟ssleep(4);}else if(strcmp(kbuf,"itop") == 0){//如果传递的kbuf是itop就睡眠两秒钟ssleep(2);}printk("copy_from_user buf is %s \n",kbuf);return 0;
}
static int release_test(struct inode *inode,struct file *file)
{printk("\nthis is release_test \n");mutex_unlock(&mutex_test);//互斥锁解锁return 0;
}struct chrdev_test
{dev_t  dev_num;  //定义dev_t类型变量来表示设备号int major,minor; //定义int 类型的主设备号和次设备号struct cdev cdev_test;   //定义字符设备struct class *class_test;   //定义结构体变量class 类
};struct chrdev_test dev1; //创建chardev_test类型结构体变量static struct file_operations fops_test = {.owner=THIS_MODULE,//将owner字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块.open = open_test,//将open字段指向chrdev_open(...)函数.read = read_test,//将open字段指向chrdev_read(...)函数.write = write_test,//将open字段指向chrdev_write(...)函数.release = release_test,//将open字段指向chrdev_release(...)函数
};//定义file_operations结构体类型的变量cdev_test_opsstatic int __init chrdev_fops_init(void)//驱动入口函数
{mutex_init(&mutex_test);//对互斥体进行初始化if(alloc_chrdev_region(&dev1.dev_num,0,1,"chrdev_name") < 0){printk("alloc_chrdev_region is error\n");}   printk("alloc_chrdev_region is ok\n");dev1.major=MAJOR(dev1.dev_num);//通过MAJOR()函数进行主设备号获取dev1.minor=MINOR(dev1.dev_num);//通过MINOR()函数进行次设备号获取printk("major is %d\n",dev1.major);printk("minor is %d\n",dev1.minor);使用cdev_init()函数初始化cdev_test结构体，并链接到cdev_test_ops结构体cdev_init(&dev1.cdev_test,&fops_test);dev1.cdev_test.owner = THIS_MODULE;//将owner字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块 cdev_add(&dev1.cdev_test,dev1.dev_num,1);printk("cdev_add is ok\n");dev1.class_test  = class_create(THIS_MODULE,"class_test");//使用class_create进行类的创建，类名称为class_testdevice_create(dev1.class_test,NULL,dev1.dev_num,NULL,"device_test");//使用device_create进行设备的创建，设备名称为device_testreturn 0;
}
static void __exit chrdev_fops_exit(void)//驱动出口函数
{cdev_del(&dev1.cdev_test);//使用cdev_del()函数进行字符设备的删除unregister_chrdev_region(dev1.dev_num,1);//释放字符驱动设备号 device_destroy(dev1.class_test,dev1.dev_num);//删除创建的设备class_destroy(dev1.class_test);//删除创建的类printk("module exit \n");}
module_init(chrdev_fops_init);//注册入口函数
module_exit(chrdev_fops_exit);//注册出口函数
MODULE_LICENSE("GPL v2");//同意GPL开源协议
MODULE_AUTHOR("wang fang chen "); //作者信息

部分源码解读

字符设备操作这里不再赘述，重点看看互斥锁怎么用的。
在之前学习过原子操作设置标志位， 在同一时间内只允许一个任务对共享资源进行访问的方式所不
同， 这里将采用互斥锁的方式避免竞争的产生。 由于互斥体在同一时间内只允许一个任务对共享资源进行， 所以除了在 atomic_init()函数内加入初始化互斥锁函数之外，只需要在 open()函数中加入互斥锁加锁函数， 在 release()函数中加入互斥锁解锁函数即可

• 定义结构体 - mutex

struct mutex mutex_test;//定义mutex类型的互斥锁结构体变量mutex_test

• 驱动入口函数 init 中初始化 互斥锁结构体，设置值 - mutex_init

static int __init chrdev_fops_init(void)//驱动入口函数
{mutex_init(&mutex_test);//对互斥体进行初始化
...
}

• 在open 中加锁 - mutex_lock

static int open_test(struct  inode  *inode,struct file *file){printk("\n this is open_test \n");mutex_lock(&mutex_test);//互斥锁加锁return 0;};

• 程序释放资源时候，解锁- mutex_unlock

static int release_test(struct inode *inode,struct file *file)
{printk("\nthis is release_test \n");mutex_unlock(&mutex_test);//互斥锁解锁return 0;
}

编译脚本 Makefile

#!/bin/bash
export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
obj-m += mutex.o
KDIR :=/home/wfc123/Linux/rk356x_linux/kernel
PWD ?= $(shell pwd)
all:make -C $(KDIR) M=$(PWD) modulesclean:make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

测试程序 app.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main(int argc, char *argv[])
{int fd;                           // 定义int类型的文件描述符char str1[10] = {0};              // 定义读取缓冲区str1fd = open(argv[1], O_RDWR, 0666); // 调用open函数，打开输入的第一个参数文件，权限为可读可写// fd=open("/dev/device_test",O_RDWR,0666);//调用open函数，打开输入的第一个参数文件，权限为可读可写if (fd < 0){printf("open is error\n");return -1;}printf("open is ok\n");if (strcmp(argv[2], "topeet") == 0){write(fd, "topeet", sizeof(str1));}else if (strcmp(argv[2], "itop") == 0){write(fd, "itop", sizeof(str1));}close(fd); // 调用close函数，对取消文件描述符到文件的映射return 0;
}

编译 测试程序 app

aarch64-linux-gnu-gcc -o app app.c -static

准备测试命令和测试脚本-app.sh

测试命令

同时后台执行两个命令

./app /dev/device_test topeet &
./app /dev/device_test itop

测试脚本

这里准备签名驱动自选死锁的脚本，方便看看 互斥锁的作用和效果。 app.sh

[root@topeet:/mnt/sdcard]# cat app.sh#!/bin/bash
taskset -c 0 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 1 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 2 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 3 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 0 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 1 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 2 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 3 ./app /dev/device_test topeet &

加载驱动 insmod - 查看 dev 下生成的设备

加载驱动后，看一下字符相关操作是否有相关打印，从结果上看打印OK，逻辑正常在走。

字符设备都已经生成了，说明测试程序没有问题的。

测试验证互斥锁程序

直接命令后台验证

./app /dev/device_test topeet &
./app /dev/device_test itop

看实验结果如下：文件操作是一个等着一个执行的呢

脚本批量执行后台任务 测试验证

实际结果是，打印一个接着一个打印，会按照程序里面的逻辑 等待几秒，执行完后才会执行下一个任务命令。 而且最重要的是 这里用的是自旋锁死锁的 脚本来验证，在互斥锁这里不会死机。 这样更方便理解 互斥锁的原理了。

总结

• 互斥锁也是解决并发、竞争问题的一种方案
• 浅显的看： 互斥锁原理就是一个全局的变量，类似于原子操作。会让线程、进程去处理其它事情，不用想自旋锁原地等待。大量频繁使用会增加切换资源消耗。

互斥锁与信号量的区别与联系

基本概念对比

特性	互斥锁(Mutex)	内核态信号量(Semaphore)
本质	特殊的二进制信号量	更通用的同步机制
持有者	有明确的持有者(必须由获取者释放)	无持有者概念
计数	只能是0或1(二进制)	可以是任意正整数(计数信号量)
性能	更高(优化过的实现)	相对较低
优先级继承	支持(防止优先级反转)	不支持
使用场景	短期临界区保护	资源计数管理

关键区别详解

所有权机制

互斥锁具有严格的所有权概念：

只有锁定mutex的线程才能解锁它内核会跟踪当前持有者这种设计有助于调试和死锁检测

• 信号量没有所有权概念：

任何线程都可以对信号量执行up操作更灵活但也更容易出错

计数方式

• 互斥锁是二进制锁：

只有锁定/未锁定两种状态一次只允许一个线程进入临界区

• 信号量是计数信号量：

初始化时可设置任意正整数值允许多个线程同时访问资源(当计数>1时)

性能特点

• 互斥锁经过高度优化：

快速路径(fast path)通常只需几条原子指令在无竞争情况下性能接近无锁

• 信号量开销较大：

总是涉及上下文切换即使在无竞争情况下也需要更多操作

联系与共同点

• 同步基础：两者都基于内核的等待队列机制实现
• 睡眠特性：当资源不可用时，都会使调用者睡眠
• 不可中断上下文使用：都不能在原子上下文(如中断处理程序)中使用
• 解决竞态条件：都可用于保护共享资源，防止竞态条件

使用场景建议

使用互斥锁的情况

• 需要严格互斥访问的共享资源
• 临界区执行时间较短
• 需要防止优先级反转的实时应用

使用信号量的情况

• 需要限制并发访问数量的资源
• 允许多个读者同时访问的情况
• 需要跨多个模块释放锁的复杂场景

选择指南

优先使用互斥锁

• 只需要二进制锁定
• 性能是关键考量
• 需要调试支持(如死锁检测)
• 在实时系统中需要优先级继承

考虑使用信号量

• 需要计数功能
• 锁定可能被不同模块释放
• 需要允许多个并发访问(如读者)