Linux驱动开发实战（十三）：RGB LED驱动并发控制——自旋锁与信号量对比详解

Linux驱动开发实战（十三）：RGB LED驱动并发控制------自旋锁与信号量对比详解

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[Linux驱动开发实战（十三）：RGB LED驱动并发控制------自旋锁与信号量对比详解](#Linux驱动开发实战（十三）：RGB LED驱动并发控制——自旋锁与信号量对比详解)
前言
一、生动比喻：理解自旋锁与信号量
- 自旋锁：门口原地转圈等
- 信号量：排队休息等
二、实战代码解析：自旋锁版本
三、实战代码解析：信号量版本代码解析
总结
- 适用场景

前言

在Linux驱动开发中，并发控制是一个核心问题。当多个进程同时访问同一个硬件设备时，如果没有合理的保护机制，就会出现数据竞争、资源冲突等问题。

想象一下这个场景：

进程A正在控制RGB LED显示红色
进程B同时也想控制LED显示蓝色
没有保护机制的话，LED的状态会混乱
本文将通过一个RGB LED驱动实例，用最通俗易懂的方式对比讲解Linux内核中两种最常用的并发控制机制：

自旋锁（Spinlock） - 忙等待机制

信号量（Semaphore） - 睡眠等待机制

一、生动比喻：理解自旋锁与信号量

单人卫生间问题

假设公司只有一个卫生间（共享资源），多个员工（进程/线程）需要使用它。如何保证同一时刻只有一个人在使用？

自旋锁：门口原地转圈等

小明的做法（自旋锁方式）：

小明急需使用卫生间，走到门口

如果门锁着（资源被占用）：

站在门口，疯狂拧门把手

"能开吗？不能！"

... 不停尝试 ...

一旦门开了，立刻冲进去！

如果门开着（资源空闲）：

直接进去，反锁门
特点分析：

✅ 反应超快：门一开，立刻进去，零延迟

✅ 适合急事：如果前面的人很快出来（1-2秒），这种方式最高效

❌ 消耗体力：一直在门口转圈，不停拧门把手，累得满头大汗

❌ 不适合长时间：如果前面的人蹲半小时，小明会虚脱

内核对应：

c 复制代码

spin_lock(&lock);      // 疯狂拧门把手，直到打开
// 使用卫生间（临界区代码）
spin_unlock(&lock);    // 开门出来

信号量：排队休息等

小红的做法（信号量方式）：

小红需要使用卫生间，走到门口

如果门锁着（资源被占用）：

在旁边的休息室坐下（进入睡眠）

？？？（什么都不做，睡觉）

前面的人出来后会叫醒她："小红，轮到你了！"

小红醒来，走进卫生间

如果门开着（资源空闲）：

直接进去，反锁门
特点分析：

✅ 节省体力：在休息室睡觉，完全不消耗体力（CPU资源）

✅ 适合长时间：前面的人蹲多久都没关系，反正我在睡觉

❌ 反应慢：需要被叫醒→站起来→走到卫生间（上下文切换开销）

❌ 短时间不划算：如果前面的人1秒就出来，这套流程反而慢

内核对应：

c 复制代码

down(&sem);           // 尝试进入，如果不行就睡觉
// 使用卫生间（临界区代码）
up(&sem);             // 开门出来，叫醒下一个人

二、实战代码解析：自旋锁版本

核心数据

c 复制代码

spinlock_t s_lock;   // 自旋锁变量
char flag;           // 设备占用标志：0=空闲，非0=占用

为什么需要flag？

自旋锁本身只保护临界区，不记录状态
flag用于记录设备是否被占用
自旋锁保护flag变量的读写操作

初始化：驱动加载时

c 复制代码

static int __init led_platform_driver_init(void)
{
    int DriverState;
    
    /* 初始化自旋锁 */
    spin_lock_init(&s_lock);
    
    DriverState = platform_driver_register(&led_platform_driver);
    printk(KERN_ALERT "\tDriverState is %d\n", DriverState);
    return 0;
}
}

打开设备时的自旋锁保护

c 复制代码

static int led_chr_dev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    /* 获取自旋锁（原子操作开始） */
    spin_lock(&s_lock);
    
    if(flag) {
        /* 设备正在被使用，释放锁并返回错误 */
        spin_unlock(&s_lock);
        printk("\n driver on using!  open failed !!!\n");
        return -EBUSY;  // 返回设备忙错误
    }
    else {
        /* 设备空闲，标记为占用 */
        flag++;
    }
    
    /* 释放自旋锁（原子操作结束） */
    spin_unlock(&s_lock);
    
    printk("\n open form driver \n");
    return 0;
}

关闭设备时释放标志

c 复制代码

static int led_chrdev_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    /* 获取自旋锁 */
    spin_lock(&s_lock);
    
    if(flag)
        flag--;  // 清除占用标志
    
    /* 释放自旋锁 */
    spin_unlock(&s_lock);
    
    printk("KERN_ALERT  \n finished  !!!\n");
    return 0;
}

实验现象

如果第二次太快打开就会直接返回打开失败

三、实战代码解析：信号量版本代码解析

关键变量

c 复制代码

struct semaphore sem;  // 定义信号量结构体

信号量初始化

c 复制代码

static int __init led_platform_driver_init(void)
{
    int DriverState;
    
    /* 初始化信号量，初始值为1（二值信号量，相当于互斥锁） */
    sema_init(&sem, 1);
    
    DriverState = platform_driver_register(&led_platform_driver);
    printk(KERN_ALERT "\tDriverState is %d\n", DriverState);
    return 0;
}

说明：sema_init(&sem, 1) 将信号量初始化为1，表示资源可用，只允许一个进程访问。

打开设备时获取信号量

c 复制代码

static int led_chr_dev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    /* 获取信号量，如果信号量值为0，进程将睡眠等待 */
    down(&sem);
    
    printk("\n open form driver \n");
    return 0;
}

关闭设备时释放信号量

c 复制代码

static int led_chrdev_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    /* 释放信号量，唤醒等待队列中的进程 */
    up(&sem);
    
    printk("KERN_ALERT  \n finished  !!!\n");
    return 0;
}

说明：up(&sem) 将信号量值+1，如果有进程在等待，则唤醒它。

实验现象

在上一个命令没执行完就执行下一个命令的话（很急）

要等待上一个没执行完的命令执行完再执行下一个命令（别急）

总结

信号量：像银行取号，拿到号就等着，轮到你自然会叫你

自旋锁：像查快递柜，有就拿，没有就走，下次再来看

适用场景

信号量：文件I/O、网络、设备独占、长临界区
自旋锁：中断处理、计数器、状态检查、短临界区

持有自旋锁时绝不能睡眠
中断上下文绝不能用信号量
自旋锁临界区要尽可能短
不确定时优先选择信号量（更安全）