1、Linux并發(fā)

并發(fā)是指多個(gè)執(zhí)行單元同時(shí)、并行被執(zhí)行。linux 系統(tǒng)產(chǎn)生并發(fā)的原因：

多線程并發(fā)訪問，linux 是多任務(wù)(線程)的系統(tǒng)，所以多線程訪問是最基本的原因。搶占式并發(fā)訪問，從內(nèi)核2.6版本開始，linux 內(nèi)核支持搶占，也就是說調(diào)度程序可以在任意時(shí)刻搶占正在運(yùn)行的線程，從而運(yùn)行其他的線程。中斷程序并發(fā)訪問，硬件中斷的權(quán)利是很大的。SMP(多核)核間并發(fā)訪問，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，多核CPU已經(jīng)成為了常見的選擇，這意味著不同核之間會(huì)進(jìn)行并發(fā)訪問。然而，并發(fā)訪問也帶來了一些問題，其中最重要的是競爭。當(dāng)多個(gè)核同時(shí)訪問共享數(shù)據(jù)時(shí)，就有可能出現(xiàn)臨界區(qū)問題，即同一時(shí)間只能有一個(gè)線程訪問臨界區(qū)，因此必須保證臨界區(qū)操作是原子性的，不能分解成更小的步驟。否則，就會(huì)導(dǎo)致競爭現(xiàn)象的發(fā)生。在編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，應(yīng)該考慮到并發(fā)和競爭問題，并在之前進(jìn)行防范，而不是編寫完整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序后再解決這些問題。

2、Linux競態(tài)

并發(fā)的執(zhí)行單元對(duì)共享資源（硬件資源和軟件上的全局變量，靜態(tài)變量等）的訪問容易發(fā)生競態(tài)。競態(tài)發(fā)生的情況：

對(duì)稱多處理器（SMP）的多個(gè)CPU：SMP是一種緊耦合、共享存儲(chǔ)的系統(tǒng)模型，它的特點(diǎn)是多個(gè)CPU使用共同的系統(tǒng)總線，因此可以訪問共同的外設(shè)和存儲(chǔ)器。單CPU內(nèi)進(jìn)程與搶占它的進(jìn)程：Linux內(nèi)核支持內(nèi)核搶占，一個(gè)進(jìn)程在內(nèi)核執(zhí)行的時(shí)候可能被另一個(gè)優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程打斷，進(jìn)程與搶占它的進(jìn)程訪問共享資源的情況類似于SMP的多個(gè)CPU。中斷（硬中斷、軟中斷）與進(jìn)程之間：中斷可以打斷正在執(zhí)行的進(jìn)程，如果中斷處理程序訪問進(jìn)程正在訪問的資源，競態(tài)也會(huì)發(fā)生。中斷也可能被新的更高優(yōu)先級(jí)的中斷打斷，因此，多個(gè)中斷之間也可能引起并發(fā)而導(dǎo)致競態(tài)發(fā)生。

3、Linux互斥鎖

互斥鎖是用以保護(hù)對(duì)共享資源的操作，即保護(hù)線程對(duì)共享資源的操作代碼可以完整執(zhí)行，而不會(huì)在訪問的中途被其他線程介入對(duì)共享資源訪問。通常把對(duì)共享資源操作的代碼段，稱之為臨界區(qū)，其共享資源也可以稱為臨界資源。于是這種機(jī)制——互斥鎖的工作原理就是對(duì)臨界區(qū)進(jìn)行加鎖，保證處于臨界區(qū)的線程不被其他線程打斷，確保其臨界區(qū)運(yùn)行完整。

Linux內(nèi)核中提供以下API來操作互斥鎖：

//1）定義互斥鎖lockmutex_init（struct mutex* lock）;//2）獲取互斥鎖 mutex_lock(struct mutex *lock);//3）釋放互斥鎖 mutex_unlock(struct mutex *lock);

4、Linux自旋鎖

自旋鎖是一種典型的對(duì)臨界資源進(jìn)行互斥訪問的手段，其名稱來源于他的工作方式。為了獲得一個(gè)自旋鎖，在某CPU上運(yùn)行的代碼需要先執(zhí)行一個(gè)原子操作，該操作測試并設(shè)置某個(gè)內(nèi)存變量，由于是原子操作，所以在該操作完成之前其他執(zhí)行單元不可能訪問這個(gè)內(nèi)存變量。如果測試表明鎖已經(jīng)空閑，則程序獲得這個(gè)自旋鎖并繼續(xù)執(zhí)行；如果測試表明自旋鎖被占用，程序?qū)⒃谝粋€(gè)小的循環(huán)中重復(fù)這個(gè)“測試并設(shè)置”的操作，即所謂的“自旋”。當(dāng)自旋鎖的持有者通過重置該變量釋放這個(gè)自旋鎖之后，某個(gè)“等待的測試并設(shè)置”操作向其調(diào)用者報(bào)告鎖已釋放。

Linux內(nèi)核中提供以下API來操作自旋鎖：

//1）定義自旋鎖spinlock_t lock;//2）初始化自旋鎖spin_lock_init(lock);//3）獲取自旋鎖spin_lock(lock);   //獲得自旋鎖lockspin_trylock(lock);//嘗試獲取lock如果不能獲得鎖，返回假值，不在原地打轉(zhuǎn)//4）釋放自旋鎖spin_unlock(lock); //釋放自旋鎖

5、Linux信號(hào)量

本質(zhì)上，信號(hào)量是一個(gè)計(jì)數(shù)器，它用來記錄對(duì)某個(gè)資源（如共享內(nèi)存）的存取狀況。它是對(duì)臨界區(qū)保護(hù)的一種常用方法，他的使用方法和自旋鎖差不多。與自旋鎖相同只有得到信號(hào)量的進(jìn)程才能執(zhí)行臨界區(qū)的代碼。但是與自旋鎖不同的是，當(dāng)獲取不到信號(hào)量時(shí)，進(jìn)程不會(huì)原地打轉(zhuǎn)而是進(jìn)入休眠等待狀態(tài)。

Linux內(nèi)核中提供以下API來操作信號(hào)量：

//1)定義信號(hào)量Struct semaphore sem; //2)初始化信號(hào)量void sema_init(struct semaphore *sem, int val); //初始化sem為val，當(dāng)然還有系統(tǒng)定義的其他宏初始化，這里不列舉 //3)獲得信號(hào)量void down(struct semaphore *sem);               //獲得信號(hào)量sem，其會(huì)導(dǎo)致睡眠，并不能被信號(hào)打斷 int down_interruptible(struct semaphore *sem);  //進(jìn)入睡眠可以被信號(hào)打斷 int down_trylock(struct semaphore *sem);        //不會(huì)睡眠 //4)釋放信號(hào)量void up(struct semaphore *sem);                 //釋放信號(hào)量，喚醒等待進(jìn)程

延伸閱讀1：競態(tài)的解決方法——中斷屏蔽

在單個(gè)CPU范圍內(nèi)避免競態(tài)的一種簡單省事的方法是在進(jìn)入臨界區(qū)之前屏蔽系統(tǒng)的中斷。CPU一般具備屏蔽和打開中斷的能力，這樣可以保證正在執(zhí)行的內(nèi)核路徑不被中斷處理程序搶占，防止競態(tài)條件的發(fā)生。具體而言，中斷屏蔽使得中斷與進(jìn)程之間的并發(fā)不再發(fā)生，而且，由于Linux內(nèi)核的進(jìn)程調(diào)度等操作依賴中斷來實(shí)現(xiàn)，內(nèi)核搶占進(jìn)程之間的并發(fā)得以避免。但是不能長時(shí)間屏蔽中斷，因?yàn)樵谥袛嗥帘纹陂g，所有的中斷得不到處理，有可能造成數(shù)據(jù)丟失和系統(tǒng)崩潰的可能。這就要求在中斷屏蔽之后，當(dāng)前的內(nèi)核執(zhí)行路徑應(yīng)當(dāng)盡快的執(zhí)行完臨界區(qū)的代碼。