Linux并发与竞争

并发与竞争

Linux是一个多任务操作系统 ,并发即多个线程任务共同操作同一段内存或者设备（共享资源）的情况，竞争则是多个任务同时访问同一片内存区域，这些任务可能会相互覆盖这段内存中的数据，造成数据混乱。

主要原因：

多线程并发访问， Linux 是多任务(线程)的系统，所以多线程访问是最基本的原因。
抢占式并发访问，从 2.6 版本内核开始， Linux 内核支持抢占，也就是说调度程序可以在任意时刻抢占正在运行的线程，从而运行其他的线程。
中断程序并发访问，这个无需多说，学过 STM32 的同学应该知道，硬件中断的权利可是很大的。
SMP(多核)核间并发访问，现在 ARM 架构的多核 SOC 很常见，多核 CPU 存在核间并发访问

注：并发强调执行多个操作的对象只能有一个，并行则不强调，多个操作可以由多个对象执行。

原子操作

原子操作就是指不能再进一步分割的操作，一般原子操作用于变量或者位操作。
原子操作API函数

原子变量结构体

原子操作API函数

注：根据系统架构，32位和64位的SOC使用原子结构体和API函数有区别。

原子位操作API函数

自旋锁

当一个线程要访问某个共享资源的时候首先要先获取相应的锁，锁只能被一个线程持有，只要此线程不释放持有的锁，那么其他的线程就不能获取此锁。对于自旋锁而言，如果自旋锁正在被线程 A 持有，线程 B 想要获取自旋锁，那么线程 B 就会处于忙循环-旋转-等待状态，线程 B 不会进入休眠状态或者说去做其他的处理，而是会一直傻傻的在那里“转圈圈”的等待锁可用。

自旋锁的“自旋”也就是“原地打转”的意思，“原地打转”的目的是为了等待自旋锁可以用，可以访问共享资源。

自旋锁结构体
自旋锁API函数
读写自旋锁

保证共享资源读和写不能同时进行，但是可以多人并发的读取该共享资源，即当某个数据结构符合读/写或生产者/消费者模型的时候就可以使用读写自旋锁。

读写自旋锁为读和写操作提供了不同的锁，一次只能允许一个写操作，也就是只能一个线程持有写锁，而且不能进行读操作。但是当没有写操作的时候允许一个或多个线程持有读锁，可以进行并发的读操作。
- 读写操作API函数
顺序锁

顺序锁在读写锁的基础上衍生而来的，使用读写锁的时候读操作和写操作不能同时进行。使用顺序锁的话可以允许在写的时候进行读操作，也就是实现同时读写，但是不允许同时进行并发的写操作。虽然顺序锁的读和写操作可以同时进行，但是如果在读的过程中发生了写操作，最好重新进行读取，保证数据完整性。

注：
- 因为在等待自旋锁的时候处于“自旋”状态，因此锁的持有时间不能太长，一定要短，否则的话会降低系统性能。如果临界区比较大，运行时间比较长的话要选择其他的并发处理方式，比如稍后要讲的信号量和互斥体。
- 自旋锁保护的临界区内不能调用任何可能导致线程休眠的 API 函数，否则的话可能导致死锁。
- 不能递归申请自旋锁，因为一旦通过递归的方式申请一个你正在持有的锁，那么你就必须“自旋”，等待锁被释放，然而你正处于“自旋”状态，根本没法释放锁。结果就是自己把自己锁死了！
- 在编写驱动程序的时候我们必须考虑到驱动的可移植性，因此不管你用的是单核的还是多核的 SOC，都将其当做多核 SOC 来编写驱动程序。

信号量

信号量有一个信号量值，相当于一个房子有 10 把钥匙，这 10 把钥匙就相当于信号量值为10。因此，可以通过信号量来控制访问共享资源的访问数量，如果要想进房间，那就要先获取一把钥匙，信号量值减 1，直到 10 把钥匙都被拿走，信号量值为 0，这个时候就不允许任何人进入房间了，因为没钥匙了。如果有人从房间出来，那他要归还他所持有的那把钥匙，信号量值加 1，此时有 1 把钥匙了，那么可以允许进去一个人。相当于通过信号量控制访问资源的线程数，在初始化的时候将信号量值设置的大于 1，那么这个信号量就是计数型信号量，计数型信号量不能用于互斥访问，因为它允许多个线程同时访问共享资源。

相比于自旋锁，信号量可以使线程进入休眠状态。
信号量API函数