Linux驱动(并发):01---驱动的并发与竞态介绍

一、并发和竞态

• 并发（Concurrency）指的是多个执行单元同时、并行被执行，而并发的执行单元对共享资源（硬件资 源和软件上的全局变量、静态变量等）的访问则很容易导致竞态（Race Conditions）
• 更复杂、更混乱的并发大量存在于设备驱动中，只要并发的多个执行单元存在对共享资源的 访问，竞态就可能发生

二、Linux内核中主要的竞态情景

①对称多处理器（SMP）的多个CPU

• SMP是一种紧耦合、共享存储的系统模型，其体系结构如下图所示，它的特点是多个CPU使用共同的系统总线，因此可访问共同的外设和储存器

• 在SMP的情况下，两个核（CPU0和CPU1）的竞态可能发生于CPU0的进程与CPU1的进程之间、 CPU0的进程与CPU1的中断之间以及CPU0的中断与CPU1的中断之间，下图中任何一条线连接的两个实体都有核间并发可能性

②单CPU内进程与抢占它的进程

• Linux 2.6以后的内核支持内核抢占调度，一个进程在内核执行的时候可能耗完了自己的时间片 （timeslice），也可能被另一个高优先级进程打断，进程与抢占它的进程访问共享资源的情况类似于SM 的多个CPU

③中断（硬中断、软中断、Tasklet、底半部）与进程之间

• 中断可以打断正在执行的进程，如果中断服务程序访问进程正在访问的资源，则竞态也会发生
• 此外，中断也有可能被新的更高优先级的中断打断，因此，多个中断之间本身也可能引起并发而导致竞态。但是Linux 2.6.35之后，就取消了中断的嵌套。老版本的内核可以在申请中断时，设置标记 IRQF_DISABLED以避免中断嵌套，由于新内核直接就默认不嵌套中断，这个标记反而变得无用了。详情 见https://lwn.net/Articles/380931/文档《Disabling IRQF_DISABLED》

• 上述并发的发生除了SMP是真正的并行以外，其他的都是单核上的“宏观并行，微观串行” ，但其引发 的实质问题和SMP相似。下图再现了SMP情况下总的竞争状态可能性，既包含某一个核内的，也包括两 个核间的竞态。

三、互斥与临界区

• 解决竞态问题的途径是保证对共享资源的互斥访问，所谓互斥访问是指一个执行单元在访问共享资源 的时候，其他的执行单元被禁止访问
• 中断屏蔽、原子操作、自旋锁、信号量、互斥体等是Linux设备驱动中可采用的互斥途径
• 访问共享资源的代码区域称为临界区（Critical Sections），临界区需要被以某种互斥机制加以保护。