驅動開發學習筆記---併發與競爭

来源:https://www.cnblogs.com/zhuzi1/archive/2022/11/27/16930729.html
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一、併發與競爭簡介 併發:多個“用戶”同時訪問一個共用的記憶體。 競爭:多個“用戶”同時訪問一段共用的記憶體並對其修改,就會造成數據混亂,甚至程式崩潰,這就是競爭。 二、造成併發與競爭的原因 1、多線程併發訪問, Linux 是多任務(線程)的系統,所以多線程訪問是最基本的原因。 2、搶占式併發訪問, ...


一、併發與競爭簡介

併發:多個“用戶”同時訪問一個共用的記憶體。

競爭:多個“用戶”同時訪問一段共用的記憶體並對其修改,就會造成數據混亂,甚至程式崩潰,這就是競爭。

二、造成併發與競爭的原因

1、多線程併發訪問, Linux 是多任務(線程)的系統,所以多線程訪問是最基本的原因。

2、搶占式併發訪問, Linux 內核支持搶占,也就是說調度程式可以在任意時刻搶占正在運行的線程,從而運行其他的線程。

3、中斷程式併發訪問,這個無需多說,學過 STM32 的同學應該知道,硬體中斷的權利可是很大的。

4、 SMP(多核)核間併發訪問,現在 ARM 架構的多核 SOC 很常見,多核 CPU 存在核間併發訪問。

三、臨界區(共用資源

在多任務的工作模式下有多個執行單位,它們通常可以擁有一段共用空間(比如全局變數、共用記憶體等等)。所以要對共用資源進行保護,某個線程局部變數不需要保護,要保護的是多個線程都會訪問的共用數據。如:全局變數,設備結構體成員

四、避免併發與競爭的操作:

1、原子操作

原子操作就是指不能再進一步分割的操作,一般原子操作用於變數或者位操作。

對於基本的賦值操作比如a=1;在內核裡面的步驟為:

ldr r0, =0X30000000         // 變數 a 地址 
ldr r1, = 3                 // 要寫入的值 
str r1, [r0]                // 將 3 寫入到 a 變數中 

因為一個簡單的賦值就有三條語句,然後在多進程裡面就可以能出現競爭現象

image-20221127205312878

在編寫驅動時,對全局變數要求保證原子操作可以用 atomic_t 結構體:

typedef struct {
int counter;
} atomic_t;

通過原子整形API庫函數進行整形操作和位操作。

2、自旋鎖

原子操作可以用來解決變數訪問的問題,我們在實際應用中有時候需要操作的不止是變數,還有一塊區域(比如結構體變數)等。為了保護他們,我們就添加了各種鎖,比如自旋鎖。自旋鎖適用於短時期輕量級加鎖,長時間就用信號量。

自旋鎖使用註意事項:

  1. 因為等待資源的線程會一直“自旋”,所以線程持有自旋鎖,訪問臨界區的時間不能太長。

  2. 臨界區中,不能存在任何會引起線程阻塞、睡眠的操作,否者可能引起死鎖。

  3. 不能遞歸的申請自旋鎖。

  4. 考慮到程式的可移植性,在使用自旋鎖時不管你的cpu是單核,還是多核,都當做多核來使用。

死鎖:線程在獲取鎖之後阻塞或睡眠,導致多個線程都阻塞。

自旋鎖會自動禁止搶占,也就說當線程 A得到鎖以後會暫時禁止內核搶占。如果線程 A 在持有鎖期間進入了休眠狀態,那麼線程 A 會自動放棄 CPU 使用權。線程 B 開始運行,線程 B 也想要獲取鎖,但是此時鎖被 A 線程持有,而且內核搶占還被禁止了!線程 B 無法被調度出去,那麼線程 A 就無法運行,鎖也就無法釋放,好了,死鎖發生了!

3.信號量

在這裡插入圖片描述

信號量特點:

1.線程可以訪問的臨界區比較大,訪問資源的時間長,所以臨界區中可以調用引起阻塞的操作。 2.等待資源的線程不會一直等待,會讓出 cpu 使用權,進入掛起、睡眠狀態。(cpu經過調度執行其它線程) 3.正是因為會進入睡眠態,所以不能在中斷中使用,同時也不能在自旋鎖的臨界區中使用。(中斷講究快進快出) 4.在等待資源時CPU 會經歷 切換、喚醒進程等等操作,會產生一定的開銷。當使用信號量所爭取的利益大於這個開銷時就不要使用信號量。

4.互斥體

信號量值 = 1 可以實現互斥訪問,Linux 比信號量更專業的機制來進行互斥,即互斥體 mutex。使用過程中有其它線程想要獲取該資源的鎖,那麼它就會被阻塞陷入睡眠狀態,直到該資源被解鎖才會被喚醒。

互斥體特點: 1.mutex 可以導致休眠,因此也不能在中斷中使用 mutex,中斷中只能使用自旋鎖。 2.和信號量一樣, mutex 保護的臨界區可以調用引起阻塞的 API 函數。(臨界區中可以引起塞) 3.因為一次只有一個線程可以持有 mutex,因此,必須由 mutex 的持有者釋放 mutex。並且 mutex 不能遞歸上鎖和解鎖。

互斥體使用註意事項: 互斥體和自旋鎖都是解決互斥問題的一種手段。互斥體是進程級別的,互斥體在使用的時候會發生進程間的切換,因此,使用互斥體資源開銷比較大。自旋鎖可以節省上下文切換的時間,如果持有鎖的時間不長,使用自旋鎖是比較好的選擇,如果持有鎖時間比較長,互斥體顯然是更好的選擇。

互斥體與自旋鎖區別: 1.當鎖不能被獲取到時,使用互斥體的開銷是進程上下文切換時間,使用自旋鎖的開銷是等待獲取自旋鎖(由臨界區執行時間決定)。若臨界區比較小,宜使用自旋鎖,若臨界區很大,應使用互斥 體。 2.互斥體所保護的臨界區可包含可能引起阻塞的代碼,而自旋鎖則絕對要避免用來保護包含這樣代碼的臨界區。因為阻塞意味著要進行進程的切換,如果進程被切換岀去後,另一個進程企圖獲取本自旋鎖,死鎖就會發生。 3.互斥體存在於進程上下文。因此,如果被保護的共用資源需要在中斷或軟中斷情況下使用,則在互斥體和自旋鎖之間只能選擇自旋鎖。當然,如果一定要使用互斥體,則只能通過mutextrylock()方式進行,不能獲取就立即返回以避免阻塞。

 
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