本章導讀

Linux設備驅動中必須解決的一個問題是多個進程對共享資源的并發訪問，并發的訪問會導致競態(競爭狀態)。

Linux提供了多種解決競態問題的方式，這些方式適合不同的應用場景。

7.1講解了并發和競態的概念及發生場合。

7.2講解了編譯亂序、執行亂序的問題，以及內存屏障。

7.3~7.8分別講解了中斷屏蔽、原子操作、自旋鎖、信號量和互斥體等并發控制機制。

7.1　并發與競態

并發是多個執行單元同時、并行被執行，而并發的執行單元對共享資源(硬件資源和軟件上的全局變量、靜態變量等)的訪問，則很容易導致競態。例如，對于globalmem設備，假設一個執行單元A對其寫入3000個字符“a”，而另一個執行單元B對其寫入4000個“b”，第三個執行單元C讀取globalmem的所有字符。如果執行單元A、B的寫操作按圖7.1順序發生，執行單元C的讀操作不會有什么問題。

但是，如果執行單元A、B按圖7.2被執行，而執行單元C又“不合時宜”(在不合適的時間作不合適的事情)地讀，則會讀出3000個字符“b”。

比圖7.2更復雜、更混亂的并發大量存在于設備驅動中，只要并發的多個執行單元存在對共享資源的訪問，競態就可能發生。在Linux內核中，主要的競態發生在以下幾種情況。

1.對稱多處理器(SMP)的多個CPU

SMP是一種緊耦合、共享存儲的系統模型，體系結構如圖7.3所示，特點是多個CPU使用共同的系統總線，因此可訪問共同的外設和存儲器。

在SMP的情況下，兩個核(CPU0和CPU1)的競態可能發生于CPU0的進程與CPU1的進程之間、CPU0的進程與CPU1的中斷之間以及CPU0的中斷與CPU1的中斷之間，圖7.4中任何一條線連接的兩個實體都有核之間并發可能性。

2.單CPU內進程與搶占它的進程

Linux 2.6以后的內核支持內核搶占調度，一個進程在內核執行時可能耗完了自己的時間片，也可能被另一個高優先級進程打斷，進程與搶占該進程的進程訪問共享資源的情況類似于SMP的多個CPU。

3.中斷(硬中斷、軟中斷、Tasklet、底半部)與進程之間

中斷可以打斷正在執行的進程，如果中斷服務程序(ISR)訪問進程正在訪問的資源，則也會產生競態。

中斷也有可能被新的更高優先級的中斷打斷，因此，多個中斷之間本身也可能引起并發而導致競態。Linux 2.6.35之后，就取消了中斷的嵌套。老版本的內核可以在申請中斷時，設置標記IRQF_DISABLED以避免中斷嵌套，由于新內核直接就默認不嵌套中斷，這個標記反而變得無用了。

上述并發的發生除了SMP是真正的并行以外，其他的都是單核上的“宏觀并行，微觀串行”，其引發的實質問題和SMP相似。圖7.5再現了SMP情況下總的競爭狀態可能性，既包含某一個核內的(CPU內部)，也包括兩個核之間(CPU之間)的競態。

解決競態問題的途徑是保證對共享資源的互斥訪問，互斥訪問是指一個執行單元(進程)在訪問共享資源時，其他的執行單元(進程)被禁止訪問。

訪問共享資源的代碼區域稱為臨界區(Critical Sections)，臨界區需要被以某種互斥機制加以保護。

中斷屏蔽、原子操作、自旋鎖、信號量、互斥鎖、完成量等

是Linux設備驅動中可以采用的互斥途徑。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux 两个驱动 竞态,第7章　Linux设备驱动中的并发控制之一（并发与竞态）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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