[特殊字符]‍[特殊字符]Linux驱动开发入门 | 并发与互斥机制详解

👨‍💻Linux驱动开发入门 | 并发与互斥机制详解

📌为什么驱动中需要并发和互斥控制？

我们知道，在多线程或多任务并行执行的操作系统中，比如Linux内核，多个执行单元（线程或中断）可能同时访问共享资源（如全局变量、设备寄存器、缓冲区等），这就带来了“竞态条件（Race Condition）”的风险。

举个简单的例子：
假如两个线程A和B几乎在同一时间读取同一个计数变量x的值为10，然后各自+1并写回。你期望x变为12，但结果可能还是11。

这类问题就需要“互斥”机制来保护——确保同一时刻只能有一个执行单元访问共享资源，其访问的代码区域称为临界区（Critical Section）。

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💡常见的并发控制机制

Linux驱动开发中，常见的互斥控制方式有以下几种：

互斥机制	特点	场景
中断屏蔽	禁止中断上下文干扰	适用于简单、快速完成的临界区
原子操作	使用CPU原子指令保证变量操作完整	操作变量极少时
自旋锁（spinlock）	自旋等待，适合短时间锁定	中断/进程上下文
信号量（semaphore）	可睡眠等待，适合长时间持锁	进程上下文，驱动任务中常用
互斥锁（mutex）	是信号量的简化版本	一般用于用户态/驱动模块

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🔐自旋锁和信号量通俗理解

🌀自旋锁（Spinlock）——“厕所排队锁”

把共享资源想象成一个单人厕所。

• 线程A进入厕所，并锁门（获取锁）；
• 线程B也想用厕所，只能在门口一直转圈圈（不停检查锁状态）；
• A出来后释放锁，B才能进去。

自旋锁适合锁定时间非常短的临界区，因为等待期间线程一直占用CPU，不睡觉！

✅ 优点：

• 实时性好（适合中断上下文）
• 实现简单

❌ 缺点：

• CPU占用率高，锁持有久了会浪费资源
• 不可在临界区使用可能睡眠的代码！

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🚦信号量（Semaphore）——“停车场智能显示器”

假设一个停车场有100个车位，信号量就相当于入口处的电子屏：

• 显示“当前车位：20”，车还能进；
• 显示“满”，车就得等；
• 有车离开，车位更新，通知其他等车入场。

信号量适合临界区操作时间较长、可能会阻塞的场景。

✅ 优点：

• 可睡眠等待，不占CPU
• 适合处理资源池问题，如连接池、缓存池等

❌ 缺点：

• 实时性差，不可用于中断处理
• 实现复杂，需考虑死锁
• 锁被短时间持有时，使用信号量就不太适宜了，因为睡眠引起的耗时可能比锁被占用的全部时间还要长。

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🆚 自旋锁 vs 信号量

对比项	自旋锁	信号量
是否睡眠	❌ 不可睡眠	✅ 可睡眠等待
适用上下文	中断上下文	进程上下文
临界区时长	极短	可长
是否允许抢占	❌ 不允许（禁抢）	✅ 允许抢占
用于中断中	✅ 可以	❌ 禁止
是否可重入	❌ 否	✅ 是（看实现）

在你占用信号量的同时不能占用自旋锁，因为在你等待信号量时可能会睡眠，而在持有自旋锁时是不允许睡眠的。

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读写锁是什么？

当临界区的一个文件可以被同时读取，但是并不能被同时读和写。如果一个线程在读，另一个线程在写，那么很可能会读取到错误的不完整的数据。读写自旋锁是可以允许对临界区的共享资源进行并发读操作的。但是并不允许多个线程并发读写操作

🚨死锁问题和解决策略

在操作系统或并发编程中，**死锁（Deadlock）**是一个经典问题。本文将带你由浅入深地了解死锁的处理方式，主要包括四种：预防死锁、避免死锁、检测死锁以及解除死锁。

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一、预防死锁

死锁产生的四个必要条件是：互斥、不可剥夺、请求与保持、循环等待。

为了预防死锁，我们可以通过破坏其中一个或多个条件来避免死锁的发生。

1. 资源一次性分配（破坏请求与保持条件）

当一个进程申请资源时，必须一次性申请它执行所需的所有资源。如果一次申请不到，就什么也不分配，避免持有部分资源再申请其他资源。

2. 可剥夺资源（破坏不可剥夺条件）

允许系统在资源不足时，强行从某些进程中回收已分配的资源，重新分配给其他更需要的进程。

3. 资源有序分配法（破坏循环等待条件）

为所有资源编号，进程必须按编号递增的顺序申请资源。释放时则按编号递减顺序释放。这样可以避免资源请求形成闭环。

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二、避免死锁

相比预防死锁，避免死锁不要求完全避免死锁条件的成立，而是在每次资源分配时判断是否安全。

银行家算法

预防死锁的几种策略，会严重地损害系统性能。因此在避免死锁时，要施加较弱的限制，从而获得较满意的系统性能。由于在避免死锁的策略中，允许进程动态地申请资源。因而，系统在进行资源分配之前预先计算资源分配的安全性。
这是最经典的死锁避免算法。

• 系统在每次资源分配前，模拟本次资源分配是否会导致系统进入不安全状态。
• 如果安全，则分配资源；否则让进程等待。

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三、死锁检测

死锁检测是允许死锁发生，但系统会定期检查是否有死锁存在，一旦检测到就进行处理。

步骤如下：

1. 系统记录所有进程与资源的指定一个唯一的号码，构建资源分配图或等待图。
2. 检查是否存在环路（循环等待）结构。
3. 若有环路，即可判定发生了死锁。

四、解除死锁

当检测到死锁后，需要采取措施解除死锁状态。常见方法如下：

1. 剥夺资源

从非死锁进程中剥夺资源分配给死锁进程，让后者能继续运行，释放资源。

2. 撤消进程

• 终止死锁进程或一些代价较小的进程，释放资源。
• 代价可以依据优先级、运行时间、完成率、业务重要性来评估。

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五、避免死锁的编程实践

在多线程编程中（如Java、C++），我们还可以通过一些实际的编程技巧避免死锁：

1. 加锁顺序（Lock Ordering）

确保所有线程在获取多个锁时，始终按照固定顺序获取。例如：线程要获取锁A和锁B，必须先获取编号小的锁A，再获取锁B。

// Thread 1:
synchronized(lockA) {synchronized(lockB) {// do something}
}

// Thread 2: 也必须先获取lockA，再获取lockB

按照顺序加锁是一种有效的死锁预防机制。但是，这种方式需要你事先知道所有可能会用到的锁，并对这些锁做适当的排序)，但总有些时候是无法预知的。

2. 加锁时限（Try Lock with Timeout）

设置锁获取的超时时间，如果无法在一定时间内获取到锁，就放弃。

if(lock.tryLock(500, TimeUnit.MILLISECONDS)) {try {// do something} finally {lock.unlock();}
} else {// 获取锁失败，执行其他逻辑或重试
}

这种方式可以有效避免长时间等待。

3. 死锁检测机制

针对上面两种不适用的场景。那些不可能实现按序加锁并且锁超时也不可行的场景
使用数据结构记录线程和资源的持有与请求状态，在失败时主动检查是否形成了等待环。

当检测到环路时：

• 某些线程主动释放锁虽然有回退和等待，但是如果有大量的线程竞争同一批锁，它们还是会重复地死锁，原因同超时类似，不能从根本上减轻竞争
• 或者优先级较低的线程撤退一段时间再重试

这种方式适合无法提前安排加锁顺序的复杂应用场景。

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总结

方法	是否允许死锁发生	是否易于实现	是否影响性能
预防死锁	否	较简单	高
避免死锁	否	中	中
死锁检测	是	中	中
解除死锁	是	复杂	低（只在死锁发生时影响）

🧪真实驱动例子：互斥访问设备寄存器

假设我们要编写一个字符设备驱动，多个进程可能并发调用 read() 操作，访问同一片寄存器区域。

临界区：

static DEFINE_SPINLOCK(my_lock);ssize_t my_read(struct file *file, char __user *buf, size_t len, loff_t *off) {unsigned long flags;spin_lock_irqsave(&my_lock, flags);// 临界区：访问共享寄存器data = ioread32(dev->reg_base);spin_unlock_irqrestore(&my_lock, flags);return 0;
}

注意：用 spin_lock_irqsave 是因为中断中也可能调用，必须禁止中断防止死锁！

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🧠Q&A 常见问题

Q：单核CPU还需要加锁吗？
A：需要！因为即使单核，操作系统依然可以通过抢占调度让线程切换，导致共享变量被多个线程交叉访问。

Q：信号量可以用在中断中吗？
A：不能！因为信号量可能会休眠，而中断处理函数不能休眠，否则整个中断系统会挂死。

Q：spin_lock能不能睡眠？
A：不能！因为它禁止抢占，如果睡眠，系统可能无法调度其他任务，导致死锁。

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✅总结

• 多线程 + 共享资源 = 必须互斥
• 自旋锁适合临界区非常短的场景；信号量适合长时间、可睡眠的场景
• 死锁问题复杂，要尽量规避：统一加锁顺序、设置超时、图算法检测
• 在驱动中使用锁时要特别考虑上下文（中断/进程）和是否可休眠