Linux并发与竞争
创始人
2025-05-29 09:21:44
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一、并发的概念

并发就是多个“用户”同时访问同一个共享资源。

现在的 Linux 系统并发产生的原因很复杂,总结一下有下面几个主要原因:
①、多线程并发访问,Linux 是多任务(线程)的系统,所以多线程访问是最基本的原因。
②、抢占式并发访问,从 2.6 版本内核开始,Linux 内核支持抢占,也就是说调度程序可以
在任意时刻抢占正在运行的线程,从而运行其他的线程。
③、中断程序并发访问,这个无需多说,学过 STM32 的同学应该知道,硬件中断的权利可
是很大的。
④、SMP(多核)核间并发访问,现在 ARM 架构的多核 SOC 很常见,多核 CPU 存在核间并
发访问。

二、原子操作

一般原子操作用于变量或者位操作
c语言的一句 a = 3;会变成下面3条汇编

1 ldr r0, =0X30000000 /* 变量 a 地址 */
2 ldr r1, = 3 /* 要写入的值 */
3 str r1, [r0] /* 将 3 写入到 a 变量中 */

在这里插入图片描述
可见上图线程A、B将代码执行顺序打乱了,从而影响了最终程序的结果,因此我们要引入原子操作。

2.1 原子整形操作 API 函数(32为cpu)

如果要使用原子操作 API 函数,首先要先定义一个 atomic_t 的变量,如下所示:

atomic_t a; //定义 a

也可以在定义原子变量的时候给原子变量赋初值,如下所示:

atomic_t b = ATOMIC_INIT(0); //定义原子变量 b 并赋初值为 0

在这里插入图片描述

位操作API函数如下图在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

三、自旋锁

对于自旋锁而言,如果自旋锁正在被线程 A 持有,线程 B 想要获取自旋锁,那么线程 B 就会处于忙循环-旋转-等待状态,线程 B 不会进入休眠状态或者说去做其他的处理,而是会一直傻傻的在那里“转圈圈”的等待锁可用。
在使用自旋锁之前,肯定要先定义一个自旋锁变量,定义方法如下所示:

spinlock_t lock; //定义自旋锁

定义好自旋锁变量以后就可以使用相应的 API 函数来操作自旋锁。
在这里插入图片描述
下面这个图一般更常用
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

自旋锁使用注意事项:
①、因为在等待自旋锁的时候处于“自旋”状态,因此锁的持有时间不能太长,一定要
短,否则的话会降低系统性能。如果临界区比较大,运行时间比较长的话要选择其他的并发处
理方式,比如稍后要讲的信号量和互斥体。
②、自旋锁保护的临界区内不能调用任何可能导致线程休眠的 API 函数,否则的话可能
导致死锁。
③、不能递归申请自旋锁,因为一旦通过递归的方式申请一个你正在持有的锁,那么你就
必须“自旋”,等待锁被释放,然而你正处于“自旋”状态,根本没法释放锁。结果就是自己
把自己锁死了!
④、在编写驱动程序的时候我们必须考虑到驱动的可移植性,因此不管你用的是单核的还
是多核的 SOC,都将其当做多核 SOC 来编写驱动程序。

四、信号量

相比于自旋锁,信号量可以使线程进入休眠状态,比如 A 与 B、C 合租了一套房子,这个房子只有一个厕所,一次只能一个人使用。某一天早上 A 去上厕所了,过了一会 B 也想用厕所,因为 A 在厕所里面,所以 B 只能等到 A 用来了才能进去。B 要么就一直在厕所门口等着,等 A 出来,这个时候就相当于自旋锁。B 也可以告诉 A,让 A 出来以后通知他一下,然后 B 继续回房间睡觉,这个时候相当于信号量。

4.1 信号量 API 函数
在这里插入图片描述

struct semaphore sem; /* 定义信号量 */
sema_init(&sem, 1); /* 初始化信号量 */
down(&sem); /* 申请信号量 */
/* 临界区 */
up(&sem); /* 释放信号量 */

信号量使用注意事项:
①、因为信号量可以使等待资源线程进入休眠状态,因此适用于那些占用资源比较久的场
合。
②、因此信号量不能用于中断中,因为信号量会引起休眠,中断不能休眠。
③、如果共享资源的持有时间比较短,那就不适合使用信号量了,因为频繁的休眠、切换
线程引起的开销要远大于信号量带来的那点优势。

五、互斥体

将信号量的值设置为 1 就可以使用信号量进行互斥访问了,虽然可以通过信号量实现互斥,但是 Linux 提供了一个比信号量更专业的机制来进行互斥,它就是互斥体—mutex。
在这里插入图片描述
互斥体的使用如下所示:

struct mutex lock; /* 定义一个互斥体 */
mutex_init(&lock); /* 初始化互斥体 */mutex_lock(&lock); /* 上锁 */
/* 临界区 */
mutex_unlock(&lock); /* 解锁 */

互斥体注意事项:
①、mutex 可以导致休眠,因此不能在中断中使用 mutex,中断中只能使用自旋锁。
②、和信号量一样,mutex 保护的临界区可以调用引起阻塞的 API 函数。
③、因为一次只有一个线程可以持有 mutex,因此,必须由 mutex 的持有者释放 mutex。并
且 mutex 不能递归上锁和解锁。

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