Linux并发与竞争

        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，就和共享单车一样。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。比如共享单车，大家按照谁扫谁骑走

的原则来共用这个单车，如果没有这个并发访问共享单车的原则存在，只怕到时候为了一辆单

车要打起来了。在Linux驱动编写过程中对于并发控制的管理非常重要，本章我们就来学习一

下如何在Linux驱动中处理并发。

1 并发与竞争

1、并发与竞争简介

        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：

①、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。

②、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。

③、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。

④、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，学过FreeRTOS和UCOS的同学应该知道临界区这个概念，

所谓的临界区就是共享数据段，对于临界区必须保证一次只有一个线程访问，也就是要保证临

界区是原子访问的，注意这里的“原子”不是正点原子的“原子”。我们都知道，原子是化学反

应不可再分的基本微粒，这里的原子访问就表示这一个访问是一个步骤，不能再进行拆分。如

果多个线程同时操作临界区就表示存在竞争，我们在编写驱动的时候一定要注意避免并发和防

止竞争访问。很多Linux驱动初学者往往不注意这一点，在驱动程序中埋下了隐患，这类问题

往往又很不容易查找，导致驱动调试难度加大、费时费力。所以我们一般在编写驱动的时候就

要考虑到并发与竞争，而不是驱动都编写完了然后再处理并发与竞争。

2、保护内容是什么

        前面一直说要防止并发访问共享资源，换句话说就是要保护共享资源，防止进行并发访问。

那么问题来了，什么是共享资源？现实生活中的公共电话、共享单车这些是共享资源，我们都

很容易理解，那么在程序中什么是共享资源？也就是保护的内容是什么？我们保护的不是代码，

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。

一个整形的全局变量a是数据，一份要打印的文档也是数据，虽然我们知道了要对共享数据进

行保护，那么怎么判断哪些共享数据要保护呢？找到要保护的数据才是重点，而这个也是难点，

因为驱动程序各不相同，那么数据也千变万化，一般像全局变量，设备结构体这些肯定是要保

护的，至于其他的数据就要根据实际的驱动程序而定了。

        当我们发现驱动程序中存在并发和竞争的时候一定要处理掉，接下来我们依次来学习一下

Linux内核提供的几种并发和竞争的处理方法。

2 原子操作

2.1 原子操作简介

        首先看一下原子操作，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。假如现在要对无符号整形变量a赋值，值为3，对于C语言来讲很简单，直接就

是：

a = 3 

        但是C语言要先编译为成汇编指令，ARM架构不支持直接对寄存器进行读写操作，比如

要借助寄存器R0、R1等来完成赋值操作。假设变量a的地址为0X3000000，“a=3”这一行C

语言可能会被编译为如下所示的汇编代码：

 ldr r0, =0X30000000    /* 变量a地址 */ ldr r1, = 3            /* 要写入的值 */  str r1, [r0]           /* 将3写入到a变量中   */ 

        示例代码只是一个简单的举例说明，实际的结果要比示例代码复杂的多。从上述

代码可以看出，C语言里面简简单单的一句“a=3”，编译成汇编文件以后变成了3句，那么程

序在执行的时候肯定是按照示例代码47.2.1.1中的汇编语句一条一条的执行。假设现在线程A

要向a变量写入10这个值，而线程B也要向a变量写入20这个值，我们理想中的执行顺序如

图所示：

        按照图所示的流程，确实可以实现线程A将a变量设置为10，线程B将a变量设置为20。但是实际上的执行流程可能如图所示：

        按照图所示的流程，线程A最终将变量a设置为了20，而并不是要求的10！线程

B没有问题。这就是一个最简单的设置变量值的并发与竞争的例子，要解决这个问题就要保证

示例代码中的三行汇编指令作为一个整体运行，也就是作为一个原子存在。Linux内核

提供了一组原子操作API函数来完成此功能，Linux内核提供了两组原子操作API函数，一组

是对整形变量进行操作的，一组是对位进行操作的，我们接下来看一下这些API函数。

2.2 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; 

        如果要使用原子操作API函数，首先要先定义一个atomic_t的变量，如下所示：

        atomic_t a; //定义a

        也可以在定义原子变量的时候给原子变量赋初值，如下所示：

        atomic_t b = ATOMIC_INIT(0);//定义原子变量b并赋初值为0

        可以通过宏ATOMIC_INIT向原子变量赋初值。

        原子变量有了，接下来就是对原子变量进行操作，比如读、写、增加、减少等等，Linux内

核提供了大量的原子操作API函数，如表

        原子变量和相应的API函数使用起来很简单，参考如下示例：

atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);  /* 定义并初始化原子变量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 */

2.3 原子位操作API函数

        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，

API函数如表

3.自旋锁

3.1 自旋锁简介

        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。举个最简单的例子，设备结构体变量就不是整型变量，我们对于

结构体中成员变量的操作也要保证原子性，在线程A对结构体变量使用期间，应该禁止其他的

线程来访问此结构体变量，这些工作原子操作都不能胜任，需要本节要讲的锁机制，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。比如现在有个公用电话亭，一次肯定只能进去一个人打电话，现在电话亭里面有人正在

打电话，相当于获得了自旋锁。此时你到了电话亭门口，因为里面有人，所以你不能进去打电

话，相当于没有获取自旋锁，这个时候你肯定是站在原地等待，你可能因为无聊的等待而转圈

圈消遣时光，反正就是哪里也不能去，要一直等到里面的人打完电话出来。终于，里面的人打

完电话出来了，相当于释放了自旋锁，这个时候你就可以使用电话亭打电话了，相当于获取到

了自旋锁。

        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。把自旋锁比作一个变量a，变量a=1的时候表示共享资源可用，当a=0

的时候表示共享资源不可用。现在线程A要访问共享资源，发现a=0(自旋锁被其他线程持有)，

那么线程A就会不断的查询a的值，直到a=1。从这里我们可以看到自旋锁的一个缺点：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，这个我们后面会讲解。

        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。

3.2 自旋锁API函数

        最基本的自旋锁API函数如表

        表中的自旋锁API函数适用于SMP或支持抢占的单CPU下线程之间的并发访问，

也就是用于线程与线程之间，被自旋锁保护的临界区一定不能调用任何能够引起睡眠和阻塞的

API函数，否则的话会可能会导致死锁现象的发生。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，

好了，死锁发生了！

        表中的API函数用于线程之间的并发访问，如果此时中断也要插一脚，中断也想

访问共享资源，那该怎么办呢？首先可以肯定的是，中断里面可以使用自旋锁，但是在中断里

面使用自旋锁的时候，在获取锁之前一定要先禁止本地中断(也就是本CPU中断，对于多核SOC

来说会有多个CPU核)，否则可能导致锁死现象的发生，如图所示：

        在图中，线程A先运行，并且获取到了lock这个锁，当线程A运行functionA函

数的时候中断发生了，中断抢走了CPU使用权。右边的中断服务函数也要获取lock这个锁，

但是这个锁被线程A占有着，中断就会一直自旋，等待锁有效。但是在中断服务函数执行完之

前，线程A是不可能执行的，线程A说“你先放手”，中断说“你先放手”，场面就这么僵持着，

死锁发生！

        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，示例代码如下所示：

DEFINE_SPINLOCK(lock); /* 定义并初始化一个锁 *//* 线程A */
void functionA() {unsigned long flags; /* 中断状态 */spin_lock_irqsave(&lock, flags); /* 获取锁 *//* 临界区 */spin_unlock_irqrestore(&lock, flags); /* 释放锁 */
}/* 中断服务函数 */
void irq() {spin_lock(&lock); /* 获取锁 *//* 临界区 */spin_unlock(&lock); /* 释放锁 */
}

        下半部(BH)也会竞争共享资源，有些资料也会将下半部叫做底半部。关于下半部后面的

章节会讲解，如果要在下半部里面使用自旋锁，可以使用表

3.3 其他类型的锁

        在自旋锁的基础上还衍生出了其他特定场合使用的锁，这些锁在驱动中其实用的不多，更

多的是在Linux内核中使用，本节我们简单来了解一下这些衍生出来的锁。

1、读写自旋锁

        现在有个学生信息表，此表存放着学生的年龄、家庭住址、班级等信息，此表可以随时被

修改和读取。此表肯定是数据，那么必须要对其进行保护，如果我们现在使用自旋锁对其进行

保护。每次只能一个读操作或者写操作，但是，实际上此表是可以并发读取的。只需要保证在

修改此表的时候没人读取，或者在其他人读取此表的时候没有人修改此表就行了。也就是此表

的读和写不能同时进行，但是可以多人并发的读取此表。像这样，当某个数据结构符合读/写或

生产者/消费者模型的时候就可以使用读写自旋锁。

        读写自旋锁为读和写操作提供了不同的锁，一次只能允许一个写操作，也就是只能一个线

程持有写锁，而且不能进行读操作。但是当没有写操作的时候允许一个或多个线程持有读锁，

可以进行并发的读操作。Linux内核使用rwlock_t结构体表示读写锁，结构体定义如下(删除了

条件编译)：

typedef struct { arch_rwlock_t raw_lock; 
} rwlock_t; 

        读写锁操作API函数分为两部分，一个是给读使用的，一个是给写使用的，这些API函数

如表

2、顺序锁

        顺序锁在读写锁的基础上衍生而来的，使用读写锁的时候读操作和写操作不能同时进行。

使用顺序锁的话可以允许在写的时候进行读操作，也就是实现同时读写，但是不允许同时进行

并发的写操作。虽然顺序锁的读和写操作可以同时进行，但是如果在读的过程中发生了写操作，

最好重新进行读取，保证数据完整性。顺序锁保护的资源不能是指针，因为如果在写操作的时

候可能会导致指针无效，而这个时候恰巧有读操作访问指针的话就可能导致意外发生，比如读

取野指针导致系统崩溃。Linux内核使用seqlock_t结构体表示顺序锁，结构体定义如下：

typedef struct { struct seqcount seqcount; spinlock_t lock; 
} seqlock_t; 

        关于顺序锁的API函数如表

3.4 自旋锁使用注意事项

        综合前面关于自旋锁的信息，我们需要在使用自旋锁的时候要注意一下几点：

①、因为在等待自旋锁的时候处于“自旋”状态，因此锁的持有时间不能太长，一定要

短，否则的话会降低系统性能。如果临界区比较大，运行时间比较长的话要选择其他的并发处

理方式，比如稍后要讲的信号量和互斥体。

②、自旋锁保护的临界区内不能调用任何可能导致线程休眠的API函数，否则的话可能

导致死锁。

③、不能递归申请自旋锁，因为一旦通过递归的方式申请一个你正在持有的锁，那么你就

必须“自旋”，等待锁被释放，然而你正处于“自旋”状态，根本没法释放锁。结果就是自己

把自己锁死了！

④、在编写驱动程序的时候我们必须考虑到驱动的可移植性，因此不管你用的是单核的还

是多核的SOC，都将其当做多核SOC来编写驱动程序。

4 信号量

4.1 信号量简介

        大家如果有学习过FreeRTOS或者UCOS的话就应该对信号量很熟悉，因为信号量是同步

的一种方式。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。举一个

很常见的例子，某个停车场有100个停车位，这100个停车位大家都可以用，对于大家来说这

100个停车位就是共享资源。假设现在这个停车场正常运行，你要把车停到这个这个停车场肯

定要先看一下现在停了多少车了？还有没有停车位？当前停车数量就是一个信号量，具体的停

车数量就是这个信号量值，当这个值到100的时候说明停车场满了。停车场满的时你可以等一

会看看有没有其他的车开出停车场，当有车开出停车场的时候停车数量就会减一，也就是说信

号量减一，此时你就可以把车停进去了，你把车停进去以后停车数量就会加一，也就是信号量

加一。这就是一个典型的使用信号量进行共享资源管理的案例，在这个案例中使用的就是计数

型信号量。

        相比于自旋锁，信号量可以使线程进入休眠状态，比如A与B、C合租了一套房子，这个

房子只有一个厕所，一次只能一个人使用。某一天早上A去上厕所了，过了一会B也想用厕

所，因为A在厕所里面，所以B只能等到A用来了才能进去。B要么就一直在厕所门口等着，

等A出来，这个时候就相当于自旋锁。B也可以告诉A，让A出来以后通知他一下，然后B继

续回房间睡觉，这个时候相当于信号量。可以看出，使用信号量会提高处理器的使用效率，毕

竟不用一直傻乎乎的在那里“自旋”等待。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。总结一下信号量的特点：

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。

信号量有一个信号量值，相当于一个房子有10把钥匙，这10把钥匙就相当于信号量值为

10。因此，可以通过信号量来控制访问共享资源的访问数量，如果要想进房间，那就要先获取

一把钥匙，信号量值减1，直到10把钥匙都被拿走，信号量值为0，这个时候就不允许任何人

进入房间了，因为没钥匙了。如果有人从房间出来，那他要归还他所持有的那把钥匙，信号量

值加1，此时有1把钥匙了，那么可以允许进去一个人。相当于通过信号量控制访问资源的线

程数，在初始化的时候将信号量值设置的大于1，那么这个信号量就是计数型信号量，计数型

信号量不能用于互斥访问，因为它允许多个线程同时访问共享资源。如果要互斥的访问共享资

源那么信号量的值就不能大于1，此时的信号量就是一个二值信号量。

4.2 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函数如表

        信号量的使用如下所示：

struct semaphore sem;   /* 定义信号量 */sema_init(&sem, 1);     /* 初始化信号量，初始值为1（二元信号量） */down(&sem);             /* 申请信号量（P操作），进入临界区前调用 *//* * 临界区代码段 * 此部分为受保护的共享资源操作*/
up(&sem);               /* 释放信号量（V操作），离开临界区后调用 */

5 互斥体

5.1 互斥体简介

        在FreeRTOS和UCOS中也有互斥体，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，定义如下(省略条件编译部分)：

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。

5.2 互斥体API函数

        互斥体的使用如下所示：

 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 */

        关于Linux中的并发和竞争就讲解到这里，Linux内核还有很多其他的处理并发和竞争的

机制，本章我们主要讲解了常用的原子操作、自旋锁、信号量和互斥体。以后我们在编写Linux

驱动的时候就会频繁的使用到这几种机制，希望大家能够深入理解这几个常用的机制。