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1.2 同步與互斥的失敗例子

注意：本節(jié)在GIT上沒有源碼。

GIT地址：

git clone https://e.coding.net/weidongshan/01_all_series_quickstart.git

一句話理解同步與互斥：我等你用完廁所，我再用廁所。什么叫同步？就是條件不允許，我要等等。什么是互斥？你我早起都要用廁所，誰先搶到誰先用，中途不被打擾。

同步與互斥經(jīng)常放在一起講，是因?yàn)樗鼈冎g的關(guān)系很大，“互斥”操作可以使用“同步”來實(shí)現(xiàn)。我“等”你用完廁所，我再用廁所。這不就是用“同步”來實(shí)現(xiàn)“互斥”嗎？有時(shí)候看代碼更容易理解，偽代碼如下：

01?void??搶廁所(void) 02?{ 03????if?(有人在用)?我瞇一會(huì); 04????用廁所; 05????喂，醒醒，有人要用廁所嗎; 06?}

假設(shè)有A、B兩人早起搶廁所，A先行一步占用了；B慢了一步，于是就瞇一會(huì)；當(dāng)A用完后叫醒B，B也就愉快地上廁所了。

在這個(gè)過程中，A、B是互斥地訪問“廁所”，“廁所”被稱之為臨界資源。我們使用了“休眠-喚醒”的同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)了“臨界資源”的“互斥訪問”。

上面是一個(gè)有“味道”的例子，回到程序員的世界，一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序同時(shí)只能有一個(gè)APP使用，怎么實(shí)現(xiàn)？

1.2.1 失敗例子1

01?static?int?valid?=?1; 02 03?static?ssize_t?gpio_key_drv_open?(struct?inode?*node,?struct?file?*file) 04?{ 05??????if?(!valid) 06??????{ 07??????????????return?-EBUSY; 08??????} 09??????else 10??????{ 11??????????????valid?=?0; 12??????} 13 14??????return?0;?//成功 15?} 16 17?static?int?gpio_key_drv_close?(struct?inode?*node,?struct?file?*file) 18?{ 19??????valid?=?1; 20??????return?0; 21?} 22

看第5行，我們使用一個(gè)全局變量valid來實(shí)現(xiàn)互斥訪問。這有問題嗎？很大概率沒問題，但是并非萬無一失。

注意：編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，要有系統(tǒng)的概念，程序A調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，它可能被程序B打斷，程序B也去調(diào)用這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。下圖是一個(gè)例子，程序A在調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的中途被程序B搶占了CPU資源：

程序A執(zhí)行到第11行之前，被程序B搶占了，這時(shí)valid尚未被改成0；程序B調(diào)用gpio_key_drv_open時(shí)，發(fā)現(xiàn)valid等于1，所以成功返回0；當(dāng)程序A繼續(xù)從第11行執(zhí)行時(shí)，它最終也成功返回0；這樣程序A、B都成功打開了驅(qū)動(dòng)程序。

注意：在內(nèi)核態(tài)，程序A不是主動(dòng)去休眠、主動(dòng)放棄CPU資源；而是被優(yōu)先級(jí)更高的程序B搶占了，這種行為被稱為“preempt”(搶占)。

1.2.2 失敗例子2

上面的例子是不是第5行到第11行的時(shí)間跨度大長了？再優(yōu)化一下程序行不行？代碼如下：

01?static?int?valid?=?1; 02 03?static?ssize_t?gpio_key_drv_open?(struct?inode?*node,?struct?file?*file) 04?{ 05??????if?(--valid) 06??????{ 07??????????????valid++; 08??????????????return?-EBUSY; 09??????} 10??????return?0; 11?} 12 13?static?int?gpio_key_drv_close?(struct?inode?*node,?struct?file?*file) 14?{ 15??????valid?=?1; 16??????return?0; 17?} 18

第5行先減1再判斷，這樣可以更大概率地避免問題，但是還是不能確保萬無一失。對(duì)數(shù)據(jù)的修改分為3步：讀出來、修改、寫進(jìn)去。請(qǐng)看下圖：

進(jìn)程A在讀出valid時(shí)發(fā)現(xiàn)它是1，減1后為0，這時(shí)if不成立；但是修改后的值尚未寫回內(nèi)存；假設(shè)這時(shí)被程序B搶占，程序B讀出valid仍為1，減1后為0，這時(shí)if不成立，最后成功返回；輪到A繼續(xù)執(zhí)行，它把0值寫到valid變量，最后也成功返回。這樣程序A、B都成功打開了驅(qū)動(dòng)程序。

1.2.3 失敗例子3

前面2個(gè)例子，都是在修改valid的過程中被別的進(jìn)程搶占了，那么在修改valid的時(shí)候直接關(guān)中斷不就可以了嗎？

01?static?int?valid?=?1; 02 03?static?ssize_t?gpio_key_drv_open?(struct?inode?*node,?struct?file?*file) 04?{ 05???????unsigned?long?flags; 06???????raw_local_irq_save(flags);?//?關(guān)中斷 07??????if?(--valid) 08??????{ 09??????????????valid++; 10??????????????raw_local_irq_restore(flags);??//?恢復(fù)之前的狀態(tài) 11??????????????return?-EBUSY; 12??????} 13???????raw_local_irq_restore(flags);??????????//?恢復(fù)之前的狀態(tài) 14??????return?0; 15?} 16 17?static?int?gpio_key_drv_close?(struct?inode?*node,?struct?file?*file) 18?{ 19??????valid?=?1; 20??????return?0; 21?}

第06行直接關(guān)中斷，這樣別的線程、中斷都不能來打擾本線程了，在它讀取、修改valid變量的過程中無人打擾。沒有問題了？

對(duì)于單CPU核的系統(tǒng)上述代碼是沒問題的；但是對(duì)于SMP系統(tǒng)，你只能關(guān)閉當(dāng)前CPU核的中斷，別的CPU核還可以運(yùn)行程序，它們也可以來執(zhí)行這個(gè)函數(shù)，同樣導(dǎo)致問題，如下圖：

假設(shè)CPU 0上進(jìn)程A、CPU1上進(jìn)程B同時(shí)運(yùn)行到上圖中讀出valid的地方，它們同時(shí)發(fā)現(xiàn)valid都是1，減減后都等于0，在第07行判斷條件都不成立，所以在第14行都可以返回0，都可以成功打開驅(qū)動(dòng)。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【干货】同步与互斥的失败例子的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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