嵌入式Linux驱动开发（同步与互斥专题）（二）

一、自旋锁spinlock的实现

自旋锁，顾名思义：自己在原地打转，等待资源可用，一旦可用就上锁霸占它。
① 原地打转的是CPU x，以后CPU y会解锁：这涉及多个CPU，适用于SMP系统；
② 对于单CPU系统，自旋锁的“自旋”功能就去掉了：只剩下禁止抢占、禁止中断

要理解spinlock，要通过2个情景来分析：
① 一开始，怎么争抢资源？不能2个程序都抢到。
这挺好解决，使用原子变量就可以实现。
② 某个程序已经获得资源，怎么防止别人来同时使用这个资源。
这是使用spinlock时要注意的地方，对应会有不同的衍生函数(_bh/_irq/_irqsave/_restore)。

1.1、自旋锁的内核结构体

在这里插入图片描述
上述__raw_tickets结构体中有owner、next两个成员，这是在SMP系统中实现spinlock的关键。

1.2、spinlock在单CUP系统中的实现

对于单CPU系统，没有“其他CPU”；如果内核不支持preempt，当前在内核态执行的线程也不可能被其他线程抢占，也就“没有其他进程/线程”。所以，对于不支持preempt的单CPU系统，spin_lock是空函数，不需要做其他事情。

如果单CPU系统的内核支持preempt，即当前线程正在执行内核态函数时，它是有可能被别的线程抢占的。这时spin_lock的实现就是调用“preempt_disable()”：你想抢我，我干脆禁止你运行。
在单CUP系统中，spin_lock函数定义如下：
在这里插入图片描述
对于spin_lock_irq()，在UP系统中就退化为local_irq_disable()和preempt_disable()，如下图所示：

对于spin_lock_bh()，在UP系统中就退化为禁止软件中断和preempt_disable()，如下图所示：

对于spin_lock_irqsave，它跟spin_lock_irq类似，只不过它是先保存中断状态再禁止中断，如下：

在这里插入图片描述

1.3、spinlock在SMP系统中的实现

在ARMv6及以上的ARM架构中，支持SMP系统。它的spinlock结构体定义如下：
在这里插入图片描述
spin_lock函数调用关系如下，核心是arch_spin_lock：

arch_spin_lock代码如下：

假设第1个程序取到了号码，它访问了临界资源后，调用spin_unlock，代码如下：

我借用这篇文章的例子讲解，餐厅里只有一个座位，去吃饭的人都得先取号、等叫号。注意，有2个动作：顾客从取号机取号，电子叫号牌叫号。
① 一开始取号机待取号码为0
② 顾客A从取号机得到号码0，电子叫号牌显示0，顾客A上座；
取号机显示下一个待取号码为1。
③ 顾客B从取号机得到号码1，电子叫号牌还显示为0，顾客B等待；
取号机显示下一个待取号码为2。
④ 顾客C从取号机得到号码2，电子叫号牌还显示为0，顾客C等待；
取号机显示下一个待取号码为3。
⑤ 顾客A吃完离座，电子叫号牌显示为1，顾客B的号码等于1，他上座；
⑥ 顾客B吃完离座，电子叫号牌显示为2，顾客C的号码等于2，他上座；
在这个例子中有2个号码：取号机显示的“下一个号码”，顾客取号后它会自动加1；电子叫号牌显示“当前号码”，顾客离座后它会自动加1。某个客户手上拿到的号码等于电子叫号牌的号码时，该客户上座。
在这个过程中，即使顾客B、C同时到店，只要保证他们从取号机上得到的号码不同，他们就不会打架。
所以，关键点在于：取号机的号码发放，必须互斥，保证客户的号码互不相同。而电子叫号牌上号码的变动不需要保护，只有顾客离开后它才会变化，没人争抢它。

1.4、信号量semaphore的实现

1.4.1、semaphore的内核结构体

信号量的定义及操作函数都在Linux内核文件include\linux\semaphore.h中定义，如下：
在这里插入图片描述
初始化semaphore之后，就可以使用down函数或其他衍生版本来获取信号量，使用up函数释放信号量。

1.4.2、down函数的实现

如果semaphore中的count大于0，那么down函数就可以获得信号量；否则就休眠。在读取、修改count时，要使用spinlock来实现互斥。
休眠时，要把当前进程放在semaphore的wait_list链表中，别的进程释放信号量时去wait_list中把进程取出、唤醒。
代码如下：
在这里插入图片描述

1.4.3、 up函数的实现

如果有其他进程在等待信号量，则count值无需调整，直接取出第1个等待信号量的进程，把信号量给它，共把它唤醒。
如果没有其他进程在等待信号量，则调整count。
整个过程需要使用spinlock来保护，代码如下：
在这里插入图片描述

1.5、互斥量mutex的实现

1.5.1、mutex的内核结构体

mutex的定义及操作函数都在Linux内核文件include\linux\mutex.h中定义，如下：
在这里插入图片描述
我们使用mutex的目的一般是用来保护一小段代码，这段代码运行的时间很快。这意味着一个获得mutex的进程，可能很快就会释放掉mutex。

1.5.2、mutex_lock函数的实现

1.5.2.1、fastpath

首先要知道mutex的操作函数中有fastpath、slowpath两条路径(快速、慢速)：如果fastpath成功，就不必使用slowpath。

在这里插入图片描述
对于ARMv6以下的架构，使用include/asm-generic/mutex-xchg.h中的__mutex_fastpath_lock函数；对于ARMv6及以上的架构，使用include/asm-generic/mutex-dec.h中的__mutex_fastpath_lock函数。这2个文件中的__mutex_fastpath_lock函数是类似的，mutex-dec.h中的代码如下：
在这里插入图片描述
大部分情况下，mutex当前值都是1，所以通过fastpath函数可以非常快速地获得mutex。

1.5.2.1、slowpath

如果mutex当前值是0或负数，则需要调用__mutex_lock_slowpath慢慢处理：可能会休眠等待。
在这里插入图片描述
__mutex_lock_common函数也是在内核文件kernel/locking/mutex.c中实现的，下面分段讲解。

① 分析第一段代码：
在这里插入图片描述
② 分析第二段代码：

③ 分析第三段代码：

这个wait_list是FIFO(Firt In Firs Out)，谁先排队，谁就可以先得到mutex。

④ 分析第四段代码：for循环，这是重点
在这里插入图片描述
⑤ 分析第五段代码：收尾工作

1.5.3、mutex_unlock函数的实现

mutex_unlock函数中也有fastpath、slowpath两条路径(快速、慢速)：如果fastpath成功，就不必使用slowpath。
代码如下：
在这里插入图片描述

1.5.3.1、fastpath

对于ARMv6以下的架构，使用include/asm-generic/mutex-xchg.h中的__mutex_fastpath_lock函数；对于ARMv6及以上的架构，使用include/asm-generic/mutex-dec.h中的__mutex_fastpath_lock函数。这2个文件中的__mutex_fastpath_lock函数是类似的，mutex-dec.h中的代码如下：
在这里插入图片描述
大部分情况下，加1后mutex的值都是1，表示无人等待mutex，所以通过fastpath函数直接增加mutex的count值为1就可以了。
如果mutex的值加1后还是小于等于0，就表示有人在等待mutex，需要去wait_list把它取出唤醒，这需要用到slowpath的函数：__mutex_unlock_slowpath。