linux并发与竞争

崇子嵘

31人浏览 · 2026-08-13 16:59:08

崇子嵘 · 2026-08-13 16:59:08 发布

1.学习原因

Linux 是一个多任务操作系统，肯定会存在多个任务共同操作同一段内存或者设备的情况，

多个任务甚至中断都能访问的资源叫做共享资源，就和共享单车一样。在驱动开发中要注意

对共享资源的保护，也就是要处理对共享资源的并发访问。本章我们就来学习一下如何在 Linux 驱动中处理并发。

2.产生并发原因

现在的 Linux 系统并发产生的原因很复杂，总结一下有下面几个主

要原因：

①、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。

②、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。

③、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。

④、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。

并发访问带来的问题就是竞争，学过 FreeRTOS 和 UCOS 的同学应该知道临界区这个概

念，所谓的临界区就是共享数据段，对于临界区必须保证一次只有一个线程访问，也就是要保证临界区是原子访问的。我们都知道，原子化学反应不可再分的基本微粒，这里的原子访问就表示这一个访问是一个步骤，不能再进行拆分。

3.保护对象（数据）

前面一直说要防止并发访问共享资源，换句话说就是要保护共享资源，防止进行并发访问。那么问题来了，什么是共享资源？在程序中什么是共享资源？也就是保护的内容是什么？我们保护的不是代码，而是数据！某个线程的局部变量不需要保护，我们要保护的是多个线程都会访问的共享数据（比如一个整形的全局变量 a ）。

4.原子操作

线程A是a=10，线程B是a=20；下面有两种可能：

按照上图所示的流程，线程 A 最终将变量 a 设置为了 20，而并不是要求的 10！线程 B
没有问题。这就是一个最简单的设置变量值的并发与竞争的例子，要解决这个问题就要保证
示例代码 22.2.1 中的三行汇编指令作为一个整体运行，也就是作为一个原子存在。
Linux 内核提供了一组原子操作 API 函数来完成此功能，Linux 内核提供了两组原子操作 API 函数，一组是对整形变量进行操作的，一组是对位进行操作的，我们接下来看一下这些 API 函数。

4.1原子整形操作 API 函数

如果要使用原子操作 API 函数，首先要先定义一个 atomic_t 的变量。

atomic64_t a; //定义 a

示例代码 22.2.4 原子变量和 API 函数使用

Atomic64_t v = ATOMIC64_INIT(0);

/* 定义并初始化原子变零 v=0 */

Atomic64_set(&v, 10);

/* 设置 v=10 */

Atomic64_read(&v);

/* 读取 v 的值，肯定是 10 */

Atomic64_inc(&v);

/* v 的值加 1，v=11 */

4.2原子位操作 API 函数

5.自旋锁

原子操作只能对整形变量或者位进行保护，但是，在实际的使用环境中怎么可能只有整

形变量或位这么简单的临界区。举个最简单的例子，设备结构体变量就不是整型变量，我们

对于结构体中成员变量的操作也要保证原子性，在线程 A 对结构体变量使用期间，应该禁止

其他的线程来访问此结构体变量，这些工作原子操作都不能胜任，需要本节要讲的锁机制，

在 Linux 内核中就是自旋锁。

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。

在使用自旋锁之前，肯定要先定义一个自旋锁变量，定义方法如下所示：

spinlock_t lock; //定义自旋锁

定义好自旋锁变量以后就可以使用相应的 API 函数来操作自旋锁。

示例代码 22.3.2 自旋锁使用示例

1 DEFINE_SPINLOCK(lock);

/* 定义并初始化一个自旋锁 */

2

3 /* 线程 A */

4 void functionA (){

5 unsigned long flags;

/* 中断状态 */

6 spin_lock_irqsave(&lock, flags);

/* 获取锁 */

7 /* 临界区 */

8 spin_unlock_irqrestore(&lock, flags);

/* 释放锁 */

9 }

10

11 /* 中断服务函数 */

12 void irq() {

13 spin_lock(&lock);

/* 获取锁 */

14 /* 临界区 */

15 spin_unlock(&lock);

/* 释放锁 */

16 }