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--  作者:wangxinxin
--  發(fā)布時(shí)間:2010-11-24 9:22:50
--  Linux驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)必看詳解神秘內(nèi)核

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  舊的信號(hào)量接口

  互斥體接口代替了舊的信號(hào)量接口(semaphore)。互斥體接口是從-rt樹(shù)演化而來(lái)的,在2.6.16內(nèi)核中被融入主線內(nèi)核。

  盡管如此,但是舊的信號(hào)量仍然在內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序中廣泛使用。信號(hào)量接口的基本用法如下:

#include <asm/semaphore.h>  /* Architecture dependent header */

/* Statically declare a semaphore. To dynamically
   create a semaphore, use init_MUTEX() */
static DECLARE_MUTEX(mysem);

down(&mysem);    /* Acquire the semaphore */

/* ... Critical Section code ... */

up(&mysem);      /* Release the semaphore */

  1. 案例1:進(jìn)程上下文,單CPU,非搶占內(nèi)核

  這種情況最為簡(jiǎn)單,不需要加鎖,因此不再贅述。

  2. 案例2:進(jìn)程和中斷上下文,單CPU,非搶占內(nèi)核

  在這種情況下,為了保護(hù)臨界區(qū),僅僅需要禁止中斷。如圖2-4所示,假定進(jìn)程上下文的執(zhí)行單元A、B以及中斷上下文的執(zhí)行單元C都企圖進(jìn)入相同的臨界區(qū)。

 

由于執(zhí)行單元C總是在中斷上下文執(zhí)行,它會(huì)優(yōu)先于執(zhí)行單元A和B,因此,它不用擔(dān)心保護(hù)的問(wèn)題。執(zhí)行單元A和B也不必關(guān)心彼此會(huì)被互相打斷,因?yàn)閮?nèi)核是非搶占的。因此,執(zhí)行單元A和B僅僅需要擔(dān)心C會(huì)在它們進(jìn)入臨界區(qū)的時(shí)候強(qiáng)行進(jìn)入。為了實(shí)現(xiàn)此目的,它們會(huì)在進(jìn)入臨界區(qū)之前禁止中斷:

Point A:   
  local_irq_disable();  /* Disable Interrupts in local CPU */
  /* ... Critical Section ...  */
  local_irq_enable();   /* Enable Interrupts in local CPU */

   但是,如果當(dāng)執(zhí)行到Point A的時(shí)候已經(jīng)被禁止,local_irq_enable()將產(chǎn)生副作用,它會(huì)重新使能中斷,而不是恢復(fù)之前的中斷狀態(tài)。可以這樣修復(fù)它:

unsigned long flags;

Point A:
  local_irq_save(flags);     /* Disable Interrupts */
  /* ... Critical Section ... */
  local_irq_restore(flags);  /* Restore state to what it was at Point A */

  不論P(yáng)oint A的中斷處于什么狀態(tài),上述代碼都將正確執(zhí)行。

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  3. 案例3:進(jìn)程和中斷上下文,單CPU,搶占內(nèi)核

  如果內(nèi)核使能了搶占,僅僅禁止中斷將無(wú)法確保對(duì)臨界區(qū)的保護(hù),因?yàn)榱硪粋(gè)處于進(jìn)程上下文的執(zhí)行單元可能會(huì)進(jìn)入臨界區(qū)。重新回到圖2-4,現(xiàn)在,除了C以外,執(zhí)行單元A和B必須提防彼此。顯而易見(jiàn),解決該問(wèn)題的方法是在進(jìn)入臨界區(qū)之前禁止內(nèi)核搶占、中斷,并在退出臨界區(qū)的時(shí)候恢復(fù)內(nèi)核搶占和中斷。因此,執(zhí)行單元A和B使用了自旋鎖API的irq變體:

unsigned long flags;

Point A:
  /* Save interrupt state.
   * Disable interrupts - this implicitly disables preemption */
  spin_lock_irqsave(&mylock, flags);

  /* ... Critical Section ... */

  /* Restore interrupt state to what it was at Point A */
  spin_unlock_irqrestore(&mylock, flags);

  我們不需要在最后顯示地恢復(fù)Point A的搶占狀態(tài),因?yàn)閮?nèi)核自身會(huì)通過(guò)一個(gè)名叫搶占計(jì)數(shù)器的變量維護(hù)它。在搶占被禁止時(shí)(通過(guò)調(diào)用preempt_disable()),計(jì)數(shù)器值會(huì)增加;在搶占被使能時(shí)(通過(guò)調(diào)用preempt_enable()),計(jì)數(shù)器值會(huì)減少。只有在計(jì)數(shù)器值為0的時(shí)候,搶占才發(fā)揮作用。

  4. 案例4:進(jìn)程和中斷上下文,SMP機(jī)器,搶占內(nèi)核

  現(xiàn)在假設(shè)臨界區(qū)執(zhí)行于SMP機(jī)器上,而且你的內(nèi)核配置了CONFIG_SMP和CONFIG_PREEMPT。

  到目前為止討論的場(chǎng)景中,自旋鎖原語(yǔ)發(fā)揮的作用僅限于使能和禁止搶占和中斷,時(shí)間的鎖功能并未被完全編譯進(jìn)來(lái)。在SMP機(jī)器內(nèi),鎖邏輯被編譯進(jìn)來(lái),而且自旋鎖原語(yǔ)確保了SMP安全性。SMP使能的含義如下:

unsigned long flags;

Point A:
  /*
    - Save interrupt state on the local CPU
    - Disable interrupts on the local CPU. This implicitly disables preemption.
    - Lock the section to regulate access by other CPUs
   */
  spin_lock_irqsave(&mylock, flags);

  /* ... Critical Section ... */

  /*
    - Restore interrupt state and preemption to what it
      was at Point A for the local CPU
    - Release the lock
   */
  spin_unlock_irqrestore(&mylock, flags);

  在SMP系統(tǒng)上,獲取自旋鎖時(shí),僅僅本CPU上的中斷被禁止。因此,一個(gè)進(jìn)程上下文的執(zhí)行單元(圖2-4中的執(zhí)行單元A)在一個(gè)CPU上運(yùn)行的同時(shí),一個(gè)中斷處理函數(shù)(圖2-4中的執(zhí)行單元C)可能運(yùn)行在另一個(gè)CPU上。非本CPU上的中斷處理函數(shù)必須自旋等待本CPU上的進(jìn)程上下文代碼退出臨界區(qū)。中斷上下文需要調(diào)用spin_lock()/spin_unlock():

spin_lock(&mylock);

/* ... Critical Section ... */

spin_unlock(&mylock);

  除了有irq變體以外,自旋鎖也有底半部(BH)變體。在鎖被獲取的時(shí)候,spin_lock_bh()會(huì)禁止底半部,而spin_unlock_bh()則會(huì)在鎖被釋放時(shí)重新使能底半部。我們將在第4章討論底半部。

  -rt樹(shù)

  實(shí)時(shí)(-rt)樹(shù),也被稱作CONFIG_PREEMPT_RT補(bǔ)丁集,實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核中一些針對(duì)低延時(shí)的修改。該補(bǔ)丁集可以從www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt下載,它允許內(nèi)核的大部分位置可被搶占,但是用自旋鎖代替了一些互斥體。它也合并了一些高精度的定時(shí)器。數(shù)個(gè)-rt功能已經(jīng)被融入了主線內(nèi)核。詳細(xì)的文檔見(jiàn)http://rt.wiki.kernel.org/。

  為了提高性能,內(nèi)核也定義了一些針對(duì)特定環(huán)境的特定的鎖原語(yǔ)。使能適用于代碼執(zhí)行場(chǎng)景的互斥機(jī)制將使代碼更高效。下面來(lái)看一下這些特定的互斥機(jī)制。


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