实验五：设备驱动中的并发控制.doc

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1、实验五：设备驱动中的并发控制1.并发与竞态并发（concurrency）指的是多个执行单元同时、并行被执行，而并发的执行单元对共享资源（硬件资源和软件上的全局变量、静态变量等）的访问则很容易导致竞态（raceconditions）。例如，对于globalmem设备，假设一个执行单元A对其写入3000个字符“a”，而另一个执行单元B对其写入4000个字符“b”，第三个执行单元C读取globalmem的所有字符。如果执行单元A、B的写操作如图1所示的顺序执行，执行单元C的读操作不会有问题。但是，如果执行单元A、B如图2所示的顺序执行，而执行单元C又“不合时宜”地读，则

2、会读出3000个“b”。比图2更复杂、更混乱的并发大量地存在于设备驱动中，只要并发的多个执行单元存在对共享资源的访问，竞态就可能发生。在Linux内核中，主要的竞态发生于如下几种情况。1．对称多处理器（SMP）的多个CPUSMP是一种紧耦合、共享存储的系统模型，它的特点是多个CPU使用共同的系统总线，因此可访问共同的外设和储存器。2．单CPU内进程与抢占它的进程Linux2.6内核支持抢占调度，一个进程在内核执行的时候可能被另一高优先级进程打断，进程与抢占它的进程访问共享资源的情况类似于SMP的多个CPU。3．中断（硬中断、软中断、Tasklet、底半部）与进程之

3、间中断可以打断正在执行的进程，如果中断处理程序访问进程正在访问的资源，则竞态也会发生。此外，中断也有可能被新的更高优先级的中断打断，因此，多个中断之间本身也可能引起并发而导致竞态。上述并发的发生情况除了SMP是真正的并行以外，其他的都是“宏观并行、微观串行”的，但其引发的实质问题和SMP相似。解决竞态问题的途径是保证对共享资源的互斥访问，所谓互斥访问是指一个执行单元在访问共享资源的时候，其他的执行单元被禁止访问。访问共享资源的代码区域称为临界区（criticalsections），临界区需要以某种互斥机制加以保护。中断屏蔽、原子操作、自旋锁和信号量等是Linux设

4、备驱动中可采用的互斥途径，下节将讲解信号量是如何实现对资源的互斥访问的。2.信号量信号量（semaphore）是用于保护临界区的一种常用方法。只有得到信号量的进程才能执行临界区代码，当获取不到信号量时，进程进入休眠等待状态。Linux系统中与信号量相关的操作主要有如下4种。1．定义信号量下列代码定义名称为sem的信号量。structsemaphoresem;其中结构体semaphore的定义为：structsemaphore{spinlock_tlock;unsignedintcount;structlist_headwait_list;};2．初始化信号量voi

5、dsema_init(structsemaphore*sem,intval);该函数初始化信号量，并设置信号量sem的值为val。尽管信号量可以被初始化为大于1的值从而成为一个计数信号量，但是它通常不被这样使用。voidinit_MUTEX(structsemaphore*sem);该函数用于初始化一个用于互斥的信号量，它把信号量sem的值设置为1，等同于sema_init(structsemaphore*sem,1)。voidinit_MUTEX_LOCKED(structsemaphore*sem);该函数也用于初始化一个信号量，但它把信号量sem的值设置为0

6、，等同于sema_init(structsemaphore*sem,0)。此外，下面两个宏是定义并初始化信号量的“快捷方式”。DECLARE_MUTEX(name)DECLARE_MUTEX_LOCKED(name)前者定义一个名为name的信号量并初始化为1，后者定义一个名为name的信号量并初始化为0。3．获得信号量voiddown(structsemaphore*sem);该函数用于获得信号量sem，它会导致睡眠，因此不能在中断上下文使用。intdown_interruptible(structsemaphore*sem);该函数功能与down()类似，不同

7、之处为，因为down()而进入睡眠状态的进程不能被信号打断，而因为down_interruptible()而进入睡眠状态的进程能被信号打断，信号也会导致该函数返回，这时候函数的返回值非0。intdown_trylock(structsemaphore*sem);该函数尝试获得信号量sem，如果能够立刻获得，它就获得该信号量并返回0，否则，返回非0值。它不会导致调用者睡眠，可以在中断上下文使用。在使用down_interruptible()获取信号量时，对返回值一般会进行检查，如果非0，通常立即返回-ERESTARTSYS，如：if(down_interruptib

8、le(&s