嵌入式LINUX驱动学习之8竞态和并发相关问题（零）基础理论

一、什么是并发和竞态？

并发： 多个执行单元同时发生；
执行单元是指：进程和中断；
竞态：多个执行单元对共享资源进行同时访问，形成竞争关系的状态
所以形成竞态必须具备：
1、要有多个执行单元
2、要有共享资源（程序中的全局变量、操作的各种寄存器）
3、要同时发生访问
总结：避免竞态的方式就是当一个执行单元在访问共享资源时，让CPU可以不中断的访问共享资源，
这个访问共享资源期间，CPU资源不会发生切换。我们称这个访问共享资源的操作具有原子性，
即：访问共享资源的操作是一个整体，不可再分。

二、什么是互斥访问

 当一个执行单元在访问共享资源时，其它执行单元禁止访问这个临界区域。

三、互斥访问的方法：

             1、中断屏蔽2、自旋锁系列   3、 信号量4、原子操作              

3.1 中断屏蔽

3.1.1 中断屏蔽的特点：

     1、单CPU的进程与进程的抢占本身是基于软中断实现2、中断屏蔽能够解决以下竞态问题：1)中断和中断：硬件中断和软件中断，软件中断和软件中断（软件中断分为高优先级和低优先级两种）2)中断和进程：硬件中断和进程软件中断和进程3)进程之间的抢占3、中断屏蔽不能解决多核引起的竞态异常

3.1.2 中断屏蔽的互斥访问过程：

      当一个执行单元在访问共享资源前，先开启中断屏蔽，一旦屏蔽的中断信号，任务将接收不到中断信号，此时也就没有了高低优先级的进程抢占资源，也不会有其它硬件中断或软件中断打断任务的执行，此执行单元也就可以踏踏实实对共享资源进行操作，当操作完成后，应当立即恢复中断。注：多核时可能会引起异常

3.1.3 使用中断屏蔽可能带来的问题和需要注意的事项

      由于中断屏蔽实现的方式是将中断功能禁止，而linux操作系统很多机制（tasklet、 软件定时器、硬件定时器、按键等等）都和中断密切相关，长时间使用中断屏蔽，会给系统带来影响，所有使用中断屏蔽操作的共享资源代码执行速度要快，因休眠类操作会释放资源，故不能使用中断屏蔽，多核下也可能会导致中断屏蔽功能失效，也不推荐使用。

3.2 自旋锁

3.2.1 自旋锁的特点：

         1、自旋锁必须要附加在某个共享资源上（访问共享资源前加锁，操作完成后解锁）；2、要访问共享资源之前，要先获取自旋锁，如果获取自旋锁失败，此任务会原地空转（处于忙等待），直到获取到自旋锁3、如果获取自旋锁成功，可以访问共享资源 ，但访问共享资源 的代码执行速度要快，且不能有休眠操作；4、操作完共享资源，一定要记得释放自旋锁注：1、可以解决多核、单CPU进程与进程的抢占问题，但无法解决中断引起的异常。2、在中断和休眠的引起的异常场景中，自旋锁不适用。

3.2.1 衍生自旋锁的特点

        1、衍生自旋锁必须要附加在某个共享资源上（访问共享资源前加锁，操作共享资源完毕释放衍生自旋锁），2、在访问共享资源前要先获取 衍生自旋锁，如果获取衍生自旋锁失败（处于忙等待），直到获取到衍生自旋锁，3、获取衍生自旋锁成功后，就可以访问共享资源了，但操作共享资源的代码执行速度一定要性，更不能有休眠操作，4、操作完共享资源后，一定要记得释放衍生自旋锁，注：衍生自旋锁可以解决所有的竞态引用的异常（相当于自旋锁 + 中断屏蔽）；

3.3 信号量

3.3.1 信号量特点：

        1、内核中的信号量和应用程序中的信号量一模一样，2、信号量又称睡眠锁，本质上基于自旋锁，只是多加了一个休眠功能，3、想获取信号量访问共享资源的进程，在没有获取信号量时，此进程将进行休眠操作（此进程会释放占用的CPU资源）4、一旦获取信号量进程，可以访问共享资源，对共享资源进行操作，操作完毕释放信号量，并且唤醒之前休眠的等待进程；注：信号量用于进程中；

3.4 原子操作

3.4.1 原子操作特点：

        1、原子操作能够解决所有的竞态引起的异常，2、原子操作可以分为：位原子操作整形原子操作3、位原子操作：位操作具有原子性，也就是在位操作时，不允许发生CPU资源切换，如果驱动要对共享资源进行位操作，可以考虑位原子操作相关的函数实现互斥访问，4、整形原子操作：整形数的操作具有原子性，如果驱动 中对共享资源进行整形操作（++    --等），此时可以考虑使用内核提供的整形原子操作函数来实现互斥访问，linux内核对于整形原子操作提供了专有的数据类型：atomic ， 又称整形原子变量拘束类型，并且对整形原子变量进行的访问操作时，一事实上要利用内核提供的整形原子操作函数，才能达到互斥访问的效果。