linux驱动开发（十一）linux内核信号量、互斥锁、自旋锁

参考：

http://www.360doc.com/content/12/0723/00/9298584_225900606.shtml

http://www.cnblogs.com/biyeymyhjob/archive/2012/07/21/2602015.html

http://blog.chinaunix.net/uid-25100840-id-3147086.html

http://blog.csdn.net/u012719256/article/details/52670098

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在驱动程序中，当多个线程同时访问相同的资源时（驱动程序中的全局变量是一种典型的共享资源），可能会引发"竞态"，因此我们必须对共享资源进行并发控制。Linux内核中解决并发控制的最常用方法是自旋锁与信号量（绝大多数时候作为互斥锁使用）。
自旋锁与信号量"类似而不类"，类似说的是它们功能上的相似性，"不类"指代它们在本质和实现机理上完全不一样，不属于一类。

自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环查看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，"自旋"就是"在原地打转"。而信号量则引起调用者睡眠，它把进程从运行队列上拖出去，除非获得锁。这就是它们的"不类"。

但是，无论是信号量，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，即在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。这就是它们的"类似"。

鉴于自旋锁与信号量的上述特点，一般而言，自旋锁适合于保持时间非常短的情况，它可以在任何上下文使用；信号量适合于保持时间较长的情况，会只能在进程上下文使用。如果被保护的共享资源只在进程上下文访问，则可以以信号量来保护该共享资源，如果对共享资源的访问时间非常短，自旋锁也是好的选择。但是，如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。 

与信号量相关的API主要有：

定义信号量

一、信号量

      信号量又称为信号灯，它是用来协调不同进程间的数据对象的，而最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。一般说来，为了获得共享资源，进程需要执行下列操作： 
　　 （1） 测试控制该资源的信号量。 
　　 （2） 若此信号量的值为正，则允许进行使用该资源。进程将信号量减1。 
　　 （3） 若此信号量为0，则该资源目前不可用，进程进入睡眠状态，直至信号量值大于0，进程被唤醒，转入步骤（1）。 
　　 （4） 当进程不再使用一个信号量控制的资源时，信号量值加1。如果此时有进程正在睡眠等待此信号量，则唤醒此进程。 
　 　 维护信号量状态的是Linux内核操作系统而不是用户进程。我们可以从头文件/usr/src/linux/include/linux/sem.h 中看到内核用来维护信号量状态的各个结构的定义。信号量是一个数据集合，用户可以单独使用这一集合的每个元素。要调用的第一个函数是semget，用以获得一个信号量ID。Linux2.6.26下定义的信号量结构体：

struct semaphore sem;

　　　　

初始化信号量

void sema_init (struct semaphore *sem, int val);

该函数初始化信号量，并设置信号量sem的值为val

void init_MUTEX (struct semaphore *sem);

该函数用于初始化一个互斥锁，即它把信号量sem的值设置为1，等同于sema_init (struct semaphore *sem, 1)；

void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem);

该函数也用于初始化一个互斥锁，但它把信号量sem的值设置为0，等同于sema_init (struct semaphore *sem, 0)；

获得信号量

void down(struct semaphore * sem);

该函数用于获得信号量sem，它会导致睡眠（这个睡眠和下面所说的不知道有什么不同，既然不能被其它地方唤醒，那么这个down有什么用呢？），因此不能在中断上下文使用；

int down_interruptible(struct semaphore * sem);

该函数功能与down类似，不同之处为，down不能被信号打断，但down_interruptible能被信号打断；（这个能被信号打断，有点疑惑，我现在做的项目是使用的是被中断打断，不知道它这个地方所说的是什么意思）

int down_trylock(struct semaphore * 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。

释放信号量

void up(struct semaphore * sem);

该函数释放信号量sem，唤醒等待者。

2.互斥锁

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2.1概念

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互斥体实现了“互相排斥”（mutual exclusion）同步的简单形式（所以名为互斥体(mutex)）。互斥体禁止多个线程同时进入受保护的代码“临界区”（critical section）。因此，在任意时刻，只有一个线程被允许进入这样的代码保护区。mutex实际上是count=1情况下的semaphore。 

// 结构
struct mutex {
        /* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */
        atomic_t                  count;
        spinlock_t                wait_lock;
        struct list_head          wait_list;
#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
        struct thread_info        *owner;
        const char                *name;
        void                      *magic;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
        struct lockdep_map         dep_map;
#endif
};

// 定义互斥锁lock
mutex_init（struct mutex* lock）
　　或者直接用 #define DEFINE_MUTEX(LOCK)即可；

// 获取
 mutex_lock(struct mutex *lock)

// 释放
 mutex_unlock(struct mutex *lock)

struct mutex lock;

mutex_init(&lock)；初始化互斥锁

或者直接用 #define DEFINE_MUTEX(LOCK)即可；

#define __MUTEX_INITIALIZER(lockname) 
        { .count = ATOMIC_INIT(1) 
        , .wait_lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(lockname.wait_lock) 
        , .wait_list = LIST_HEAD_INIT(lockname.wait_list) 
        __DEBUG_MUTEX_INITIALIZER(lockname) 
        __DEP_MAP_MUTEX_INITIALIZER(lockname) }

#define DEFINE_MUTEX(mutexname) 
    struct mutex mutexname = __MUTEX_INITIALIZER(mutexname)

extern void __mutex_init(struct mutex *lock, const char *name,
             struct lock_class_key *key);

三：与自旋锁相关的API主要有：

定义自旋锁

spinlock_t spin;

初始化自旋锁

spin_lock_init(lock)

该宏用于动态初始化自旋锁lock

获得自旋锁

spin_lock(lock)

该宏用于获得自旋锁lock，如果能够立即获得锁，它就马上返回，否则，它将自旋在那里，直到该自旋锁的保持者释放；

spin_trylock(lock)

该宏尝试获得自旋锁lock，如果能立即获得锁，它获得锁并返回真，否则立即返回假，实际上不再"在原地打转"；

释放自旋锁

spin_unlock(lock)

该宏释放自旋锁lock，它与spin_trylock或spin_lock配对使用；

除此之外，还有一组自旋锁使用于中断情况下的API。