【系列文章】Linux中的并發與競爭[05]-互斥量

該文章為系列文章：Linux中的并發與競爭中的第5篇
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一、互斥鎖

在上一文章中，將信號量量值設置為 1，最終實現的就是互斥效果，與本文章要學習的互斥鎖功能相同，雖然兩者功能相同但是具體的實現方式是不同的，但是使用互斥鎖效率更高、更簡潔，所以如果使用到的信號量“量值”為 1，一般將其修改為使用互斥鎖實現。

當有多個線程幾乎同時修改某一個共享數據的時候，需要進行同步控制。線程同步能夠保證多個線程安全訪問競爭資源，最簡單的同步機制是引入互斥鎖。互斥鎖為資源引入一個狀態：鎖定或者非鎖定。某個線程要更改共享數據時，先將其鎖定，此時資源的狀態為“鎖定”，其他線程不能更改；直到該線程釋放資源，將資源的狀態變成“非鎖定”，其他的線程才能再次鎖定該資源。互斥鎖保證了每次只有一個線程進行寫入操作，從而保證了多線程情況下數據的正確性，能夠保證多個線程訪問共享數據不會出現資源競爭及數據錯誤。

為了方便大家理解，這里舉個例子來說明。比如公司部門里，我在使用著打印機打印東西的同時（還沒有打印完），別人剛好也在此刻使用打印機打印東西，如果不做任何處理的話，打印出來的東西肯定是錯亂的。那么怎么解決這種情況呢？只要我在打印著的時候別人是不允許打印的，只有等我打印結束后別人才允許打印。這個過程有點類似于，把打印機放在一個房間里，給這個房間安把鎖，這個鎖默認是打開的。當 A 需要打印時，他先過來檢查這把鎖有沒有鎖著，沒有的話就進去，同時上鎖在房間里打印。而在這時，剛好 B 也需要打印，B 同樣先檢查鎖，發現鎖是鎖住的，他就在門外等著。而當 A 打印結束后，他會開鎖出來，這時候 B 才進去上鎖打印。看了這個例子，相信大家已經理解了互斥鎖。

互斥鎖會導致休眠，所以在中斷里面不能用互斥鎖。同一時刻只能有一個線程持有互斥鎖，并且只有持有者才可以解鎖，并且不允許遞歸上鎖和解鎖。

內核中以 mutex 結構體來表示互斥體，定義在“內核源碼/include/linux/mutex.h”文件中，如下所示：

struct mutex {atomic_long_t owner;spinlock_t wait_lock;#ifdef CONFIG_MUTEX_SPIN_ON_OWNERstruct optimistic_spin_queue osq; /* Spinner MCS lock */#endifstruct list_head wait_list;#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXESvoid *magic;#endif#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOCstruct lockdep_map dep_map;#endif
};

一些和互斥體相關的 API 函數也定義在 mutex.h 文件中，常用 API 函數如下所示：

函數	描述
DEFINE_MUTEX(name)	定義并初始化一個 mutex 變量。
void mutex_init(mutex *lock)	初始化 mutex。
void mutex_lock(struct mutex *lock)	獲取 mutex，也就是給 mutex 上鎖。如果獲 取不到就進休眠。
void mutex_unlock(struct mutex *lock)	釋放 mutex，也就給 mutex 解鎖。
int mutex_is_locked(struct mutex *lock)	判斷 mutex 是否被獲取，如果是的話就返回 1，否則返回 0。

二、實驗程序的編寫

2.1驅動程序編寫

由于互斥體在同一時間內只允許一個任務對共享資源進行，所以除了在 atomic_init()函數內加入初始化互斥鎖函數之外，只需要在 open()函數中加入互斥鎖加鎖函數，在 release()函數中加入互斥鎖解鎖函數即可。

編寫完成的 mutex.c 代碼如下所示

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mutex.h>struct mutex mutex_test;//定義 mutex 類型的互斥鎖結構體變量 mutex_teststatic int open_test(struct inode *inode,struct file *file)
{printk("\nthis is open_test \n");mutex_lock(&mutex_test);//互斥鎖加鎖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 kbufstatic 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)
{mutex_unlock(&mutex_test);//互斥鎖解鎖printk("\nthis is release_test \n");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)
{mutex_init(&mutex_test);//對互斥體進行初始化if(alloc_chrdev_region(&dev1.dev_num,0,1,"chrdev_name") < 0 ){//自動獲取設備號，設備名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

本測試 app 代碼和上一文章相同，需要輸入兩個參數，第一個參數為對應的設備節點，第二個參數為“topeet”或者“itop”，分別代表向設備寫入的數據，編寫完成的應用程序 app.c內容如下所示：

#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

兩個 app 被同時運行，最終打印信息正常，證明數據被正確傳遞了，沒有發生共享資源的競爭，證明互斥量就起到了作用。