【系列文章】Linux中的并發與競爭[03]-自旋鎖

該文章為系列文章：Linux中的并發與競爭中的第3篇
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【系列文章】Linux中的并發與競爭-導航頁

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在上一篇文章中對原子操作進行了講解，并使用原子整形操作對并發與競爭實驗進行了改進，但是原子操作只能對整形變量或者位進行保護，而對于結構體或者其他類型的共享資源，原子操作就力不從心了，這時候就輪到自旋鎖的出場了。

一、自旋鎖

自旋鎖是為了保護共享資源提出的一種鎖機制。自旋鎖（spin lock）是一種非阻塞鎖，也就是說，如果某線程需要獲取鎖，但該鎖已經被其他線程占用時，該線程不會被掛起，而是在不斷的消耗 CPU 的時間，不停的試圖獲取鎖。

在有些場景中，同步資源(用來保持一致性的兩個或多個資源)的鎖定時間很短，為了這一小段時間去切換線程，線程掛起和恢復現場的花費可能會讓系統得不償失。如果計算機有多個CPU 核心，能夠讓兩個或以上的線程同時并行執行，這樣我們就可以讓后面那個請求鎖的線程不放棄 CPU 的執行時間，直到持有鎖的線程釋放鎖，后面請求鎖的線程才可以獲取鎖。為了讓后面那個請求鎖的線程“稍等一下”，我們需讓它進行自旋，如果在自旋完成后前面鎖定同步資源的線程已經釋放了鎖，那么該線程便不必阻塞，并且直接獲取同步資源，從而避免切換線程的開銷。這就是自旋鎖。我們再舉個形象生動的例子，以現實生活中銀行 ATM 機辦理業務為例，ATM 機防護艙在同一時間內只允許一個人進入，當有人進入 ATM 機防護艙之后，兩秒鐘之后自動上鎖，其他也想要存取款的人員，只能在外部等待，辦理完相應的存取款業務之后，艙內人員需要手動打開防護鎖，其他人才能進入其中，辦理業務。而自旋鎖在驅動
中的使用和上述 ATM 機辦理業務流程相同，當一個任務要訪問某個共享資源之前需要先獲取相應的自旋鎖，自旋鎖只能被一個任務持有，在該任務持有自旋鎖的過程中，其他任務只能原地等待該自旋鎖的釋放，在等待過程中的任務同樣會持續占用 CPU，消耗 CPU 資源，所以臨界區的代碼不能太多。

內核中以 spinlock_t 結構體來表示自旋鎖，定義在“內核源碼/include/linux/spinlock_types.h” 文件中，如下所示：

typedef struct spinlock {union {struct raw_spinlock rlock;#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC# define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))struct {u8 __padding[LOCK_PADSIZE];struct lockdep_map dep_map;};#endif};
} spinlock_t;

自旋鎖相關 API 函數定義在“內核源碼/include/linux/spinlock.h”文件中

函數	描述
DEFINE_SPINLOCK(spinlock_t lock)	定義并初始化自旋鎖。
int spin_lock_init(spinlock_t *lock)	初始化自旋鎖。
void spin_lock(spinlock_t *lock)	獲取指定的自旋鎖，也叫做加鎖。
void spin_unlock(spinlock_t *lock)	釋放指定的自旋鎖。
int spin_trylock(spinlock_t *lock)	嘗試獲取指定的自旋鎖，如果沒有獲取到就返回0
int spin_is_locked(spinlock_t *lock)	檢查指定的自旋鎖是否被獲取，如果沒有被獲取就返回非0，否則返 回 0。

除了上述 API 之外還有其他與終端相關的自旋鎖 API 函數，會在接下來的自旋鎖死鎖進行講解。

自旋鎖的使用步驟：
1 在訪問臨界資源的時候先申請自旋鎖
2 獲取到自旋鎖之后就進入臨界區，獲取不到自旋鎖就“原地等待”。
3 退出臨界區的時候要釋放自旋鎖。

二、實驗程序的編寫

2.1驅動程序編寫

與上一篇使用原子整形操作避免并發與競爭邏輯相同，在驅動入口函數初始化自旋鎖，然后在 open 函數中使用自旋鎖實現對設備的互斥訪問，最后在 release 函數中解鎖，表示設備被釋放了，可以被其他的應用程序使用。上述操作都將共享資源由自旋鎖進行保護，從而實現同一時間內只允許一個應用打開該設備節點，以此來防止共享資源競爭的產生。

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/spinlock.h>static spinlock_t spinlock_test;//定義 spinlock_t 類型的自旋鎖變量 spinlock_test
static int flag = 1;//定義 flag 標準為，flag 等于 1 表示設備沒有被打開，等于 0 則證明設備已經被打開了static int open_test(struct inode *inode,struct file *file)
{//printk("\nthis is open_test \n");spin_lock(&spinlock_test);//自旋鎖加鎖if(flag != 1){//判斷標志位 flag 的值是否等于 1spin_unlock(&spinlock_test);//自旋鎖解鎖return -EBUSY;}flag = 0;//將標志位的值設置為 0spin_unlock(&spinlock_test);//自旋鎖解鎖return 0;
}static ssize_t read_test(struct file *file,char __user *ubuf,size_t len,loff_t *off)
{int ret;char kbuf[10] = "topeet";//定義 char 類型字符串變量 kbufprintk("\nthis is read_test \n");ret = copy_to_user(ubuf,kbuf,strlen(kbuf));//使用 copy_to_user 接收用戶空間傳遞的數據if (ret != 0){printk("copy_to_user is error \n");}printk("copy_to_user is ok \n");return 0;
}static char kbuf[10] = {0};//定義 char 類型字符串全局變量 kbuf
static ssize_t write_test(struct file *file,const char __user *ubuf,size_t len,loff_t *off)
{int ret;ret = copy_from_user(kbuf,ubuf,len);//使用 copy_from_user 接收用戶空間傳遞的數據if (ret != 0){printk("copy_from_user is error\n");}if(strcmp(kbuf,"topeet") == 0 ){//如果傳遞的 kbuf 是 topeet 就睡眠四秒鐘ssleep(4);}else if(strcmp(kbuf,"itop") == 0){//如果傳遞的 kbuf 是 itop 就睡眠兩秒鐘ssleep(2);}printk("copy_from_user buf is %s \n",kbuf);return 0;
}static int release_test(struct inode *inode,struct file *file)
{printk("\nthis is release_test \n");spin_lock(&spinlock_test);//自旋鎖加鎖flag = 1;spin_unlock(&spinlock_test);//自旋鎖解鎖return 0;
}struct chrdev_test {dev_t dev_num;//定義 dev_t 類型變量 dev_num 來表示設備號int major,minor;//定義 int 類型的主設備號 major 和次設備號 minorstruct cdev cdev_test;//定義 struct cdev 類型結構體變量 cdev_test，表示要注冊的字符設備struct class *class_test;//定于 struct class *類型結構體變量 class_test，表示要創建的類
};
struct chrdev_test dev1;//創建 chrdev_test 類型的struct file_operations fops_test = {.owner = THIS_MODULE,//將 owner 字段指向本模塊，可以避免在模塊的操作正在被使用時卸載該模塊.open = open_test,//將 open 字段指向 open_test(...)函數.read = read_test,//將 read 字段指向 read_test(...)函數.write = write_test,//將 write 字段指向 write_test(...)函數.release = release_test,//將 release 字段指向 release_test(...)函數
};static int __init atomic_init(void)
{spin_lock_init(&spinlock_test);if(alloc_chrdev_region(&dev1.dev_num,0,1,"chrdev_name") < 0 ){//自動獲取設備號設備chrdev_nameprintk("alloc_chrdev_region is error \n");}printk("alloc_chrdev_region is ok \n");dev1.major = MAJOR(dev1.dev_num);//使用 MAJOR()函數獲取主設備號dev1.minor = MINOR(dev1.dev_num);//使用 MINOR()函數獲取次設備號printk("major is %d,minor is %d\n",dev1.major,dev1.minor);//使用 cdev_init()函數初始化 cdev_test 結構體，并鏈接到fops_test 結構體cdev_init(&dev1.cdev_test,&fops_test);//將 owner 字段指向本模塊，可以避免在模塊的操作正在被使用時卸載該模塊dev1.cdev_test.owner = THIS_MODULE;cdev_add(&dev1.cdev_test,dev1.dev_num,1);//使用 cdev_add()函數進行字符設備的添加//使用 class_create 進行類的創建，類名稱為class_testdev1.class_test = class_create(THIS_MODULE,"class_test");//使用 device_create 進行設備的創建，設備名稱為 device_testdevice_create(dev1.class_test,0,dev1.dev_num,0,"device_test");return 0;
}static void __exit atomic_exit(void)
{device_destroy(dev1.class_test,dev1.dev_num);//刪除創建的設備class_destroy(dev1.class_test);//刪除創建的類cdev_del(&dev1.cdev_test);//刪除添加的字符設備 cdev_testunregister_chrdev_region(dev1.dev_num,1);//釋放字符設備所申請的設備號printk("module exit \n");
}module_init(atomic_init);
module_exit(atomic_exit)
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_AUTHOR("topeet");

2.2編寫測試 APP

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char *argv[])
{int fd;//定義 int 類型的文件描述符char str1[10] = {0};//定義讀取緩沖區 str1fd = open(argv[1],O_RDWR);//調用 open 函數，打開輸入的第一個參數文件，權限為可讀可寫if(fd < 0 ){printf("file open failed \n");return -1;}/*如果第二個參數為 topeet，條件成立，調用 write 函數，寫入 topeet*/if (strcmp(argv[2],"topeet") == 0 ){write(fd,"topeet",10);}/*如果第二個參數為 itop，條件成立，調用 write 函數，寫入 itop*/else if (strcmp(argv[2],"itop") == 0 ){write(fd,"itop",10);}close(fd);return 0;
}

2.3運行測試

使用以下命令運行測試 app，運行結果如下圖所示：

./app /dev/device_test topeet

可以看到傳遞的 buf 值為 topeet，然后輸入以下命令在后臺運行兩個 app，來進行競爭測試，運行結果如下圖所示：

./app /dev/device_test topeet &
./app /dev/device_test itop

可以看到應用程序在打開第二次/dev/device_test 文件的時候，出現了“file open failed”打印，證明文件打開失敗，只有在第一個應用關閉相應的文件之后，下一個應用才能打開。本次實驗的自旋鎖只是對標志位 flag 進行保護，flag 用來表示設備的狀態，確保同一時間內，該設備只能被一個應用程序打開。進而對共享資源進行保護。