linux 互斥机制

之前一直不能理解各种互斥机制的优劣，完整的看了《Linux设备驱动开发详解：基于最新的Linux4.0内核》这书第7章后，才彻底的搞懂了

linux 系统中的互斥机制（针对并发操作）有：
1.原子操作
2.自旋锁
3.读写锁
4.顺序锁
5.rcu(read copy update)
6.信号量
7.互斥锁
8.完成量

原子操作
基于整形变量的原子操作
基于变量位的原子操作

自旋锁
显著特点是：当进程得不到锁，会在原地自转（不释放cpu）,此时会降低cpu利用率，影响cpu性能评估
，且在自旋锁保护的共享资源中，不能包含有任务切换（阻塞），不然如果切换后的进程也需要相同的自旋锁，将导致死锁，致使内核崩溃

读写锁
读进程和写进程的互斥

顺序锁
读和写进程不互斥，读和读进程不互斥，写和写进程互斥

rcu
原理是先将要读的内容读出来，复制出来一个一样的结构体，在复制的结构体中修改，当读取完成后，再将新修改的结构体，替换掉之前的结构体

信号量
当获得不到信号量时，会使进程休眠（这是与自旋锁最大的不同），目前信号量多用于进程间同步

互斥锁
顾名思义，就是专门用来互斥进程的，会使进程休眠（这是与自旋锁最大的不同）

完成量
未做了解

驱动中多使用自旋锁和互斥锁
两者使用场景
1.如果共享资源比较小，且没有堵塞（进程调度），使用自旋锁

2.如果共享资源比较大，有阻塞（进程调度），使用互斥锁

3.主要是互斥锁有上下文切换，加大了系统额外开销
而自旋锁没有上下文切换，系统开销比较小

驱动模块

/*
* 验证阻塞与非阻塞操作
*此版本添加了互斥体
*进程间互斥访问共享资源（globalfifo）
*
*文件中，读fifo将唤醒写filo的进程（如果之前fifo正好是满的）
*       写fifo将唤醒读fifo的进程（如果之前fifo正好是空的）
*/#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/uaccess.h>#define GLOBALFIFO_SIZE 0x1000
//#define MEM_CLEAR 0x1
#define GLOBALFIFO_MAGIC 'f'
#define MEM_CLEAR _IO(GLOBALFIFO_MAGIC,0)
#define GLOBALFIFO_MAJOR 231#define DEVICE_NUM 10 //同主设备号，不同次设备号有10个static int globalfifo_major = GLOBALFIFO_MAJOR;
module_param(globalfifo_major,int ,S_IRUGO);struct globalfifo_dev
{struct cdev cdev;unsigned int current_len; //表示目前的FIFO中的有效长度，如果为0,表示FIFO为空，如果是GLOBALFIFO_SIZE，表示FIFO满了unsigned char mem[GLOBALFIFO_SIZE];struct mutex globalfifo_mutex;wait_queue_head_t r_wait;wait_queue_head_t w_wait;
};struct globalfifo_dev * globalfifo_devp;static loff_t globalfifo_llseek(struct file *filp,loff_t offset, int orig)
{loff_t ret = 0;switch (orig){case 0://从文件开头位置seekif (offset < 0  || (unsigned int)offset > GLOBALFIFO_SIZE){ret = -EINVAL;break;}filp->f_pos = (unsigned int)offset;ret = filp->f_pos;break;case 1://从文件当前位置seekif ((filp->f_pos + offset) < 0  || (filp->f_pos + offset) > GLOBALFIFO_SIZE){ret = -EINVAL;break;}filp->f_pos = (unsigned int)offset;ret = filp->f_pos;break;default:ret = -EINVAL;break;}return ret;
}ssize_t globalfifo_write(struct file *filp, const char __user *buf,size_t size, loff_t *pos)
{unsigned int count = size;int ret = 0;struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;// if (p > GLOBALFIFO_SIZE)//     return 0;// if (count > GLOBALFIFO_SIZE - p)//     count = GLOBALFIFO_SIZE - p;DECLARE_WAITQUEUE(wait,current);mutex_lock(&dev->globalfifo_mutex);add_wait_queue(&dev->w_wait,&wait);while (dev->current_len == GLOBALFIFO_SIZE)//如果当前的fifo为满，则进程阻塞{if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)//判断是否以非阻塞打开的设备文件（/dev/globalfifo）{//非阻塞就直接返回了ret = -EAGAIN;goto out;}//阻塞就让本函数休眠__set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);mutex_unlock(&dev->globalfifo_mutex);schedule();if(signal_pending(current))//判断是否是信号唤醒的{//是信号唤醒的ret = -ERESTARTSYS;goto out2;}//不是信号唤醒的，可以操作了 ，此时再上锁dev->current_len != GLOBALFIFO_SIZEmutex_lock(&dev->globalfifo_mutex);}if (dev->current_len + count > GLOBALFIFO_SIZE)count = GLOBALFIFO_SIZE - dev->current_len;if (copy_from_user(&dev->mem[dev->current_len],buf,count)){ret = -EFAULT;goto out;} else {dev->current_len += count;printk(KERN_INFO "written %u bytes(s) from %u \n",count,dev->current_len-count);wake_up_interruptible(&dev->r_wait); //写入后再唤醒读（如果有读进程堵塞）ret = count;}
out:mutex_unlock(&dev->globalfifo_mutex);
out2:    remove_wait_queue(&dev->w_wait,&wait);set_current_state(TASK_RUNNING);return ret;
}
ssize_t globalfifo_read(struct file *filp, char __user *buf,size_t size, loff_t *pos)
{unsigned int count = size;int ret = 0;struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;DECLARE_WAITQUEUE(wait,current);mutex_lock(&dev->globalfifo_mutex);add_wait_queue(&dev->r_wait,&wait);while (dev->current_len == 0)//如果当前的fifo为空，则进程阻塞{if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)//判断是否以非阻塞打开的设备文件（/dev/globalfifo）{//非阻塞就直接返回了ret = -EAGAIN;goto out;}//阻塞就让本函数休眠__set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);mutex_unlock(&dev->globalfifo_mutex);schedule();if(signal_pending(current))//判断是否是信号唤醒的{//是信号唤醒的ret = -ERESTARTSYS;goto out2;}//不是信号唤醒的，可以操作了 ，此时再上锁dev->current_len != 0mutex_lock(&dev->globalfifo_mutex);}if (count > dev->current_len)count = dev->current_len;if (copy_to_user(buf, dev->mem,count)){ret = -EFAULT;goto out;} else {memcpy(dev->mem , dev->mem +count , dev->current_len - count);//将剩下的内容拷贝到前面去dev->current_len -= count;printk(KERN_INFO "read %u bytes(s) from %u \n",count,dev->current_len);wake_up_interruptible(&dev->w_wait);//读出后后再唤醒写（如果有写进程堵塞）ret = count;}
out:mutex_unlock(&dev->globalfifo_mutex);
out2:    remove_wait_queue(&dev->w_wait,&wait);set_current_state(TASK_RUNNING);return ret;
}int globalfifo_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{//filp->private_data = globalfifo_devp;//如果有多个设备，主设备号相同，只是次设备号不同，驱动这样写//从inode->i_cdev中找到类型为struct globalfifo_dev的成员struct globalfifo_dev * dev = container_of(inode->i_cdev,struct globalfifo_dev,cdev); //container_of(ptr,type,member)filp->private_data = dev;return 0;
}
int globalfifo_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{return 0;
}
long globalfifo_ioctl (struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;switch (cmd){case MEM_CLEAR:mutex_lock(&dev->globalfifo_mutex);memset(dev->mem , 0 ,GLOBALFIFO_SIZE);mutex_unlock(&dev->globalfifo_mutex);printk(KERN_INFO "globalfifo is set to zero \n");break;default:return -EINVAL;}return 0;}
static const struct file_operations globalfifo_fops = {.owner = THIS_MODULE,.llseek = globalfifo_llseek,.read = globalfifo_read,.write = globalfifo_write,.unlocked_ioctl = globalfifo_ioctl,.open = globalfifo_open,.release = globalfifo_release,
};static void globalfifo_setup_cdev(struct globalfifo_dev *dev,int index)
{int err,devno = MKDEV(globalfifo_major,index);printk(KERN_INFO "index is %d\n",index); //添加打印代码是不想编译时这个代码被优化掉，导致次设备号的设备打不开cdev_init(&dev->cdev ,&globalfifo_fops);printk(KERN_INFO "dev->cdev is %p\n",&dev->cdev);dev->cdev.owner = THIS_MODULE;err = cdev_add(&dev->cdev ,devno, 1);if(err)printk(KERN_NOTICE "Error %d adding globalfifo%d",err,index);
}static int __init globalfifo_init(void)
{int ret,i;dev_t devno = MKDEV(globalfifo_major,0);if (globalfifo_major)ret = register_chrdev_region(devno,DEVICE_NUM,"globalfifo");else{ret = alloc_chrdev_region(&devno,0,DEVICE_NUM,"globalfifo");globalfifo_major = MAJOR(devno);}if (ret < 0)return ret;globalfifo_devp = kzalloc(sizeof(struct globalfifo_dev) * DEVICE_NUM,GFP_KERNEL);if (!globalfifo_devp){ret = -ENOMEM;goto fail_malloc;}for (i = 0;i < DEVICE_NUM;i++){mutex_init(&(globalfifo_devp+i)->globalfifo_mutex);init_waitqueue_head(&(globalfifo_devp+i)->r_wait);init_waitqueue_head(&(globalfifo_devp+i)->w_wait);globalfifo_setup_cdev(globalfifo_devp + i,i);}return 0;
fail_malloc:unregister_chrdev_region(devno,DEVICE_NUM);return ret;
}
module_init(globalfifo_init);static void __exit globalfifo_exit(void)
{int i = 0;for (i = 0;i < DEVICE_NUM;i++)cdev_del(&(globalfifo_devp+i)->cdev);kfree(globalfifo_devp);unregister_chrdev_region(MKDEV(globalfifo_major,0),DEVICE_NUM);
}module_exit(globalfifo_exit);MODULE_AUTHOR("good man");
MODULE_LICENSE("GPL v2");

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