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10.按键之互斥、阻塞机制(详解)

发布时间:2017-09-13 17:00:10
本节目标:学习原子操作和互斥信号量,实现互斥机制,同一时刻只能一个应用程序使用驱动程序学习阻塞和非阻塞操作当设备被一个程序打开时,存在被另一个程序打开的可能,如果两个或多个程序同时对设备文件进行写操作,这就是说我们的设备资源同时被多个进程使用,对共享资源(硬件资源、和软件上的全局 ...

10.按键之互斥、阻塞机制(详解)

  • 本节目标:
  1. 学习原子操作和互斥信号量,实现互斥机制,同一时刻只能一个应用程序使用驱动程序
  2. 学习阻塞和非阻塞操作

当设备被一个程序打开时,存在被另一个程序打开的可能,如果两个或多个程序同时对设备文件进行写操作,这就是说我们的设备资源同时被多个进程使用,对共享资源(硬件资源、和软件上的全局变量、静态变量等)的访问则很容易导致竞态。

显然这不是我们想要的,所以本节引入互斥的概念:实现同一时刻,只能一个应用程序使用驱动程序

互斥其实现很简单,就是采用一些标志,当文件被一个进程打开后,就会设置该标志,使其他进程无法打开设备文件。


1.其中的标志需要使用函数来操作,不能直接通过判断变量来操作标志

比如:

if (-- canopen != 0) //当canopen==0,表示没有进程访问驱动,当canopen<0:表示有进程访问

 

    编译汇编来看,分了3段: 读值、减1、判断

如果刚好在读值的时候发生了中断,有另一个进程访问时,那么也会访问成功,也会容易导致访问竞态。

1.1所以采用某种函数来实现,保证执行过程不被其他行为打断,有两种类型函数可以实现:

原子操作(像原子一样不可再细分不可被中途打断)

当多个进程同时访问同一个驱动时,只能有一个进程访问成功,其它进程会退出

互斥信号量操作

比如:A、B进程同时访问同一个驱动时,只有A进程访问成功了,B进程进入休眠等待状态,当A进程执行完毕释放后,等待状态的B进程又来访问,保证一个一个进程都能访问

2. 原子操作详解

原子操作指的是在执行过程中不会被别的代码路径所中断的操作。

原子操作函数如下:

1)atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);   //定义原子变量v并初始化为02)atomic_read(atomic_t *v);   //返回原子变量的值3)void atomic_inc(atomic_t *v);  //原子变量增加14)void atomic_dec(atomic_t *v);  //原子变量减少15)int atomic_dec_and_test(atomic_t *v); //自减操作后测试其是否为0,为0则返回true,否则返回false。

 

2.1修改驱动程序

定义原子变量:

/*定义原子变量canopen并初始化为1 */atomic_t canopen = ATOMIC_INIT(1); 

 

在.open成员函数里添加:

/*自减操作后测试其是否为0,为0则返回true,否则返回false */if(!atomic_dec_and_test(&canopen))  { atomic_inc(&canopen);  //++,复位 return -1; }

 

在. release成员函数里添加:

 atomic_inc(&canopen);  //++,复位

 

2.2修改测试程序:

int main(int argc,char **argv){ int oflag; unsigned int val=0;  fd=open("/dev/buttons",O_RDWR);   if(fd<0)  {printf("can't open, fd=%d\n",fd);  return -1;} while(1) {  read( fd, &ret, 1);    //读取驱动层数据  printf("key_vale=0X%x\r\n",ret);  }  return 0;}

 

2.3 测试效果

如下图,可以看到第一个进程访问驱动成功,后面的就再也不能访问成功了

10.按键之互斥、阻塞机制(详解)

3.互斥信号量详解

互斥信号量(semaphore)是用于保护临界区的一种常用方法,只有得到信号量的进程才能执行临界区代码。

当获取不到信号量时,进程进入休眠等待状态。

信号量函数如下:

/*注意: 在2.6.36版本后这个函数DECLARE_MUTEX修改成DEFINE_SEMAPHORE了*/1)static DECLARE_MUTEX(button_lock);  //定义互斥锁button_lock,被用来后面的down和up用
2)void down(struct semaphore * sem); // 获取不到就进入不被中断的休眠状态(down函数中睡眠)
3)int down_interruptible(struct semaphore * sem); //获取不到就进入可被中断的休眠状态(down函数中睡眠)
4)int down_trylock(struct semaphore * sem); //试图获取信号量,获取不到则立刻返回正数
5)void up(struct semaphore * sem); //释放信号量

 

3.1修改驱动程序(以down函数获取为例)

(1)定义互斥锁变量:

/*定义互斥锁button_lock,被用来后面的down()和up()使用 */static DECLARE_MUTEX(button_lock); 

 

(2)在.open成员函数里添加:

/* 获取不到就进入不被中断的休眠状态(down函数中睡眠) */   down(&button_lock);

 

(3)在. release成员函数里添加:

 /*   释放信号量   */   up(&button_lock);           

3.2修改测试程序:

 int main(int argc,char **argv){ int oflag; unsigned int val=0;  fd=open("/dev/buttons",O_RDWR);   if(fd<0)  {printf("can't open, fd=%d\n",fd);  return -1;} else  {  printf("can open,PID=%d\n",getpid()); //打开成功,打印pid进程号  } while(1) {  read( fd, &ret, 1);    //读取驱动层数据  printf("key_vale=0X%x\r\n",ret);  }  return 0;}

 

3.3 测试效果

如下图所示,3个进程同时访问时,只有一个进程访问成功,其它2个进程进入休眠等待状态

 10.按键之互斥、阻塞机制(详解)

如下图所示,多个信号量访问时, 会一个一个进程来排序访问

 10.按键之互斥、阻塞机制(详解)

4.阻塞与非阻塞

4.1阻塞操作  

进程进行设备操作时,使用down()函数,若获取不到资源则挂起进程,将被挂起的进程进入休眠状态,被从调度器的运行队列移走,直到等待的条件被满足。

在read读取按键时, 一直等待按键按下才返回数据

4.2非阻塞操作 

进程进行设备操作时,使用down_trylock()函数,若获取不到资源并不挂起,直接放弃。

在read读取按键时, 不管有没有数据都要返回

4.3 怎么来判断阻塞与非阻塞操作?

在用户层open时,默认为阻塞操作,如果添加了” O_NONBLOCK”,表示使open()、read()、write()不被阻塞

实例:

fd=open("/dev/buttons",O_RDWR);           //使用阻塞操作fd = open("/dev/buttons ", O_RDWR | O_NONBLOCK);       //使用非阻塞操作

 

然后在驱动设备中,通过file_operations成员函数.open、.read、.write带的参数file->f_flags 来查看用户层访问时带的参数

实例:

 if( file->f_flags & O_NONBLOCK ) //非阻塞操作,获取不到则退出 {  ... ... } else //阻塞操作,获取不到则进入休眠 {  ... ... }

4.4修改应用程序,通过判断file->f_flags来使用阻塞操作还是非阻塞操作

(1)定义互斥锁变量:

/*定义互斥锁button_lock,被用来后面的down()和up()使用 */static DECLARE_MUTEX(button_lock); 

(2)在.open成员函数里添加:

if( file->f_flags & O_NONBLOCK ) //非阻塞操作 { if(down_trylock(&button_lock) )  //尝试获取信号量,获取不到则退出   return -1; }
else //阻塞操作 { down(&button_lock); //获取信号量,获取不到则进入休眠 }

 

 (3)在. release成员函数里添加:

  /*释放信号量*/   up(&button_lock);  

 

4.5 写阻塞测试程序 fifth_blocktext.c

代码如下:

int main(int argc,char **argv){ int oflag; unsigned int val=0;   fd=open("/dev/buttons",O_RDWR);   //使用阻塞操作 if(fd<0)  {printf("can't open, fd=%d\n",fd);    return -1;} else  {  printf("can open,PID=%d\n",getpid()); //打开成功,打印pid进程号  } while(1) {  val=read( fd, &ret, 1);    //读取驱动层数据  printf("key_vale=0X%x,retrun=%d\r\n",ret,val);  } return 0;}

 

4.6 非阻塞测试效果

如下图所示:      

 10.按键之互斥、阻塞机制(详解)

4.7写阻塞测试程序 fifth_nonblock.c

代码如下:

int main(int argc,char **argv){ int oflag; unsigned int val=0;  fd=open("/dev/buttons",O_RDWR | O_NONBLOCK); //使用非阻塞操作 if(fd<0)  {printf("can't open, fd=%d\n",fd);  return -1;} else  {  printf("can open,PID=%d\n",getpid()); //打开成功,打印pid进程号  }
while(1) { val=read( fd, &ret, 1); //读取驱动层数据 printf("key_vale=0X%x,retrun=%d\r\n",ret,val); sleep(3); //延时3S } return 0;
}

 

4.8 阻塞测试效果

如下图所示:      

10.按键之互斥、阻塞机制(详解)

 

 

原标题:10.按键之互斥、阻塞机制(详解)

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