嵌入式Linux驱动开发基础知识(二)

以下是针对这些并发控制概念的通俗解释,通过生活场景类比和代码示例帮助理解:


一、核心概念通俗解释

1. 原子操作(Atomic Operations)
  • 生活类比:银行ATM机取钱,系统必须保证"扣款+出钞"这两个操作要么全部完成,要么全部不完成,不能只扣款不出钞。

  • 代码作用:保护单个变量(如计数器)的简单操作,确保操作不可分割。

  • 示例

    c 复制代码
    atomic_t counter = ATOMIC_INIT(0);  // 初始化原子变量
    atomic_inc(&counter);              // 安全的自增操作
2. 自旋锁(Spinlock)
  • 生活类比:公共卫生间只有1个坑位,你站在门口不断尝试开门(忙等待),直到里面的人出来。

  • 代码作用 :短时间保护临界区,不会让出CPU(适合中断上下文)。

  • 示例

    c 复制代码
    spinlock_t lock;
    spin_lock_init(&lock);
    
    spin_lock(&lock);     // 获取锁
    // 操作共享资源...
    spin_unlock(&lock);   // 释放锁
3. 信号量(Semaphore)
  • 生活类比:停车场有5个车位,每进一辆车剩余车位减1,车位满时后续车辆排队等待。

  • 代码作用 :管理多个资源的访问,允许线程休眠等待。

  • 示例

    c 复制代码
    struct semaphore sem;
    sema_init(&sem, 5);  // 初始化5个资源
    
    down(&sem);         // 获取资源(若无资源则休眠)
    // 使用资源...
    up(&sem);           // 释放资源
4. 互斥体(Mutex)
  • 生活类比:公司打印机同一时间只能1个人使用,其他人需要排队等待。

  • 代码作用替代二值信号量,更高效地保护单一资源,支持优先级继承(防止低优先级任务长期占用锁)。

  • 示例

    c 复制代码
    struct mutex lock;
    mutex_init(&lock);
    
    mutex_lock(&lock);   // 获取锁(可能休眠)
    // 操作共享资源...
    mutex_unlock(&lock); // 释放锁
5. 读写锁(Read-Write Lock)
  • 生活类比:图书馆允许多人同时阅读同一本书(读锁),但写书评时需独占(写锁)。

  • 代码作用:优化读多写少场景,允许多个读者同时访问。

  • 示例

    c 复制代码
    rwlock_t lock;
    rwlock_init(&lock);
    
    // 读者
    read_lock(&lock);
    // 读取数据...
    read_unlock(&lock);
    
    // 写者
    write_lock(&lock);
    // 修改数据...
    write_unlock(&lock);

二、阻塞 vs 非阻塞

类型 行为 应用场景 代码示例
阻塞 线程休眠等待资源 耗时操作(如等待按键) wait_event_interruptible()
非阻塞 立即返回结果 实时性要求高 O_NONBLOCK标志
示例对比
c 复制代码
// 阻塞读取(用户进程休眠)
ssize_t read(...) {
    wait_event(queue, data_ready);
    // 读取数据...
}

// 非阻塞读取(立即返回)
ssize_t read(...) {
    if (!data_ready)
        return -EAGAIN; // 告知用户态"稍后再试"
    // 读取数据...
}

三、竞争与并发

  • 竞争(Race Condition) :多个执行流(线程/中断)同时修改共享资源,导致数据不一致。
    示例 :两个线程同时执行counter++,实际可能只增加1次。
  • 并发控制:通过上述锁机制消除竞争。
典型场景
  1. 中断与进程上下文共享数据
    • 需用spin_lock_irqsave()禁用中断 + 自旋锁
  2. 多核CPU共享资源
    • 使用原子操作或percpu变量

四、选择机制的决策树

是 否 读多写少 需要保护什么? 单个变量 原子操作 代码段 允许睡眠? 信号量/互斥体 自旋锁 读写比例? 读写锁


五、实战练习建议

  1. 原子操作实验:实现一个多线程安全计数器
  2. 自旋锁实验:在中断上下文保护共享缓冲区
  3. 互斥体实验:控制多个进程对同一设备的访问顺序
  4. 读写锁实验:统计日志文件的读取和写入操作
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