使用Linux自旋鎖實現(xiàn)互斥點(diǎn)燈

1. 自旋鎖介紹

自旋鎖最多只能被一個可執(zhí)行線程持有。 如果一個線程試圖獲得一個已經(jīng)被持有的自旋鎖，那么該線程將循環(huán)等待，然后不斷的判斷鎖是否能夠被成功獲取，直到獲取到鎖才會退出循環(huán)； 如果鎖未被持有，請求鎖的執(zhí)行線程就可以立即得到它，繼續(xù)執(zhí)行

等待自旋鎖的線程一直處于自旋狀態(tài)，會浪費(fèi)處理器時間，降低系統(tǒng)性能，因此自旋鎖的持有時間不能太長，適用于短時期的輕量級加鎖

內(nèi)核使用結(jié)構(gòu)體spinlock_t表示自旋鎖，結(jié)構(gòu)體定義如下所示：

typedef struct spinlock {
    union {
        struct raw_spinlock rlock;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
#define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))
        struct {
            u8 __padding[LOCK_PADSIZE];
            struct lockdep_map dep_map;
        };
#endif
    };
} spinlock_t;

自旋鎖操作相關(guān)API函數(shù)如下圖示：

2. 自旋鎖實例

本實例中使用自旋鎖操作來實現(xiàn)對LED設(shè)備的互斥訪問，即一次只允許一個應(yīng)用程序使用LED燈，代碼是在pinctrl與gpio子系統(tǒng)下的字符設(shè)備驅(qū)動框架一文的基礎(chǔ)上完成的

在本例程中，定義一個變量dev_stats表示設(shè)備的使用情況，該變量為0時表示設(shè)備沒有被使用，大于0時表示設(shè)備被使用。 在驅(qū)動的open函數(shù)中需先判斷該變量是否為0，若為0的話就使用設(shè)備，并且將dev_stats加1，表示設(shè)備被使用了。 使用完后在release函數(shù)中需將dev_stats減1，表示設(shè)備沒有被使用了。 因此真正實現(xiàn)設(shè)備互斥訪問的是變量dev_stats，我們使用自旋鎖對dev_stats來做保護(hù)

2.1 修改設(shè)備樹文件

設(shè)備樹文件修改與pinctrl與gpio子系統(tǒng)下的字符設(shè)備驅(qū)動框架文中的修改方法一樣，不需要做任何修改

2.2 編寫驅(qū)動程序

拷貝pinctrl與gpio子系統(tǒng)下的字符設(shè)備驅(qū)動框架文中的gpioled.c驅(qū)動文件，并重命名為spinlock.c，對部分代碼進(jìn)行修改，其余保持不變

在設(shè)備結(jié)構(gòu)體中，添加自旋鎖以及設(shè)備狀態(tài)變量dev_stats

struct gpioled_dev{
    dev_t devid;               //設(shè)備號
    struct cdev cdev;          //cdev字符設(shè)備
    struct class *class;       //類
    struct device *device;     //設(shè)備
    int major;                 //主設(shè)備號
    int minor;                 //次設(shè)備號
    struct device_node *nd;    //設(shè)備節(jié)點(diǎn)
    int led_gpio;              //所使用的gpio編號
    int dev_stats;             //設(shè)備狀態(tài),為0表示設(shè)備為使用
    spinlock_t lock;           //自旋鎖
};

struct gpioled_dev gpioled;    //定義led設(shè)備

打開設(shè)備時，判斷dev_stats的值來檢查LED有沒有被占用

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp){
    unsigned long flags;
    filp->private_data = &gpioled;             //設(shè)置私有數(shù)據(jù)

    spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags);           //上鎖
    if(gpioled.dev_stats)){
        spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);  //解鎖
        return -EBUSY;                     //LED被使用，返回忙
    }
    gpioled.dev_stats++;                   //標(biāo)記設(shè)備以打開
    spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);      //解鎖
 
    return 0;
}

關(guān)閉設(shè)備時，將dev_stats減1，表示設(shè)備沒有被使用了

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp){
    unsigned long flags;
    struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
 
    spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags);          //上鎖
    if(dev->dev_stats)){
        dev->dev_stats--;
    }
    spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);     //解鎖

    return 0;
}

驅(qū)動入口函數(shù)中，對自旋鎖進(jìn)行初始化

static int __init led_init(void){
    int ret = 0;
    /* 初始化自旋鎖 */
    spin_lock_init(&gpioled.lock);  
    /* 設(shè)置 LED 所使用的 GPIO */
    /* 1、獲取設(shè)備節(jié)點(diǎn)：gpioled */
    gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
    ......
    ......
}

2.3 編寫測試程序

拷貝pinctrl與gpio子系統(tǒng)下的字符設(shè)備驅(qū)動框架文中的gpioledApp.c測試程序，并重命名為spinlockApp.c，添加模擬占用LED的代碼，使測試程序在獲取LED驅(qū)動使用權(quán)后會持續(xù)一段時間，添加如下代碼

while(1){
    sleep(5);
    cnt++;
    printf("App running times: %d\\r\\n",cnt);
    if(cnt >= 5)
        break;
}

2.4 編譯測試

編譯驅(qū)動程序：當(dāng)前目錄下創(chuàng)建Makefile文件，并make編譯

KERNELDIR := /home/andyxi/linux/kernel/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_andyxi
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := spinlock.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

編譯測試程序：無需內(nèi)核參與，直接編譯即可

arm-linux-gnueabihf-gcc spinlockApp.c -o spinlockApp

運(yùn)行測試：啟動開發(fā)板后，加載驅(qū)動模塊，操作LED燈后，相應(yīng)時間內(nèi)再次操作LED會提示失敗，說明互斥點(diǎn)燈成功

depmod                   #第一次加載驅(qū)動的時候需要運(yùn)行此命令
modprobe spinlock.ko      #加載驅(qū)動
# 打開LED后，每隔5秒會輸出一行App running times
./spinlockApp /dev/gpioled 1&   # & 表示在后臺運(yùn)行APP

# 在LED被占用期間，再次操作LED，會輸出打開驅(qū)動失敗
./spinlockApp /dev/gpioled 0