驱动-自旋锁死锁
两个 app 应用程序之间对共享资源的竞争访问引起了数据传输错误， 而在 Linux 内核中， 提供了四种处理并发与竞争的常见方法：
分别是原子操作、 自旋锁、 信号量、 互斥体， 这里了解下原子操作
前面了解了自旋锁，这里重点看自旋锁死锁问题了解、分析。
文章目录
- 参考资料
- 自旋锁死锁 概念
- 自旋锁死锁的常见原因
- 递归锁定
- 中断上下文与进程上下文竞争
- 锁顺序不一致
- 长时间持有自旋锁
- 实验
- 驱动-原子操作实验
- 实验源码 spinlock.c
- 部分源码解读
- Makefile 编译文件
- 测试程序 app.c
- 加载驱动 insmod
- 查看 dev 下生成的字符设备
- 测试脚本 app.sh
- 执行脚本验证
- 总结
参考资料
前面了解了原子操作和自旋锁，当然还有之前的字符设备相关操作，前面基础知识还是需要重点掌握的，才能将知识点串联起来：
接下来还是以前面字符设备 动态参数传递实验为基础，打开访问字符设备实验。 所以以前知识点 建议了解
在字符设备这块内容，所有知识点都是串联起来的，需要整体来理解，缺一不可，建议多了解一下基础知识
驱动-申请字符设备号
驱动-注册字符设备
驱动-创建设备节点
驱动-字符设备驱动框架
驱动-杂项设备
驱动-内核空间和用户空间数据交换
驱动-文件私有数据
Linux驱动之 原子操作
Linux驱动—原子操作
驱动-自旋锁
自旋锁死锁 概念
死锁是指两个或多个事物在同一资源上相互占用， 并请求锁定对方的资源， 从而导致恶性循环的现象。 当多个进程因竞争资源而造成的一种僵局（互相等待） ， 若无外力作用， 这些进程都将无法向前推进， 这种情况就是死锁。
自旋锁死锁发生存在两种情况：
-
第一种情况是拥有自旋锁的进程 A 在内核态阻塞了， 内核调度 B 进程， 碰巧 B 进程也要获得自旋锁， 此时 B 只能自旋转。 而此时抢占已经关闭(在单核条件下)不会调度 A 进程了，B 永远自旋， 产生死锁
相应的解决办法是， 在自旋锁的使用过程中要尽可能短的时间内拥有自旋锁， 而且不能在临界区中调用导致线程休眠的函数 -
第二种情况是进程 A 拥有自旋锁， 中断到来， CPU 执行中断函数， 中断处理函数， 中断处理函数需要获得自旋锁， 访问共享资源， 此时无法获得锁， 只能自旋， 从而产生死锁
对于中断引发的死锁， 最好的解决方法就是在获取锁之前关闭本地中断
这里从概念上面理解，尝试思考死锁情况。
自旋锁死锁的常见原因
递归锁定
spin_lock(&lock);
spin_lock(&lock); // 第二次尝试获取已持有的锁，导致死锁
中断上下文与进程上下文竞争
// 进程上下文
spin_lock(&lock);// 中断处理程序
spin_lock(&lock); // 如果中断发生在进程持有锁时，导致死锁
锁顺序不一致
// 线程A
spin_lock(&lock1);
spin_lock(&lock2);// 线程B
spin_lock(&lock2);
spin_lock(&lock1); // 可能导致死锁
长时间持有自旋锁
spin_lock(&lock);
msleep(1000); // 睡眠期间可能造成其他CPU空转
spin_unlock(&lock);
实验
这里以 自旋锁 驱动程序进行实验，实验自旋锁死锁问题
在 open()函数中加入了自旋锁加锁， 在 close()函数中加入了自旋锁解锁， 由于在 write()函数中存在 sleep()睡眠函数， 所以会造成内核阻塞，睡眠期间如果使用另一个进程获取该自旋锁， 就会造成死锁
驱动-原子操作实验
实验源码 spinlock.c
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/atomic.h>
#include <linux/errno.h>static spinlock_t spinlock_test;//定义spinlock_t类型自旋变量
static int flag=1;static int open_test(struct inode *inode,struct file *file){spin_lock(&spinlock_test); //自旋枷锁if(flag!=1){ //判断标志位flag 的值是否等于1 spin_unlock(&spinlock_test); return -EBUSY;}flag=0; //将标志位的值设置为0spin_unlock(&spinlock_test); //自旋锁解锁printk("\n this is open_test \n");return 0;};static ssize_t read_test(struct file *file,char __user *ubuf,size_t len,loff_t *off)
{int ret;char kbuf[10] = "topeet";//定义char类型字符串变量kbufprintk("\nthis is read_test \n");ret = copy_to_user(ubuf,kbuf,strlen(kbuf));//使用copy_to_user接收用户空间传递的数据if (ret != 0){printk("copy_to_user is error \n");}printk("copy_to_user is ok \n");return 0;
}
static char kbuf[10] = {0};//定义char类型字符串全局变量kbuf
static ssize_t write_test(struct file *file,const char __user *ubuf,size_t len,loff_t *off)
{int ret;ret = copy_from_user(kbuf,ubuf,len);//使用copy_from_user接收用户空间传递的数据if (ret != 0){printk("copy_from_user is error\n");}if(strcmp(kbuf,"topeet") == 0 ){//如果传递的kbuf是topeet就睡眠四秒钟ssleep(4);}else if(strcmp(kbuf,"itop") == 0){//如果传递的kbuf是itop就睡眠两秒钟ssleep(2);}printk("copy_from_user buf is %s \n",kbuf);return 0;
}
static int release_test(struct inode *inode,struct file *file)
{//printk("\nthis is release_test \n");spin_lock(&spinlock_test);//自旋锁加锁flag = 1;spin_unlock(&spinlock_test);//自旋锁解锁 return 0;
}struct chrdev_test
{dev_t dev_num; //定义dev_t类型变量来表示设备号int major,minor; //定义int 类型的主设备号和次设备号struct cdev cdev_test; //定义字符设备struct class *class_test; //定义结构体变量class 类
};struct chrdev_test dev1; //创建chardev_test类型结构体变量static struct file_operations fops_test = {.owner=THIS_MODULE,//将owner字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块.open = open_test,//将open字段指向chrdev_open(...)函数.read = read_test,//将open字段指向chrdev_read(...)函数.write = write_test,//将open字段指向chrdev_write(...)函数.release = release_test,//将open字段指向chrdev_release(...)函数
};//定义file_operations结构体类型的变量cdev_test_opsstatic int __init chrdev_fops_init(void)//驱动入口函数
{if(alloc_chrdev_region(&dev1.dev_num,0,1,"chrdev_name") < 0){printk("alloc_chrdev_region is error\n");} printk("alloc_chrdev_region is ok\n");dev1.major=MAJOR(dev1.dev_num);//通过MAJOR()函数进行主设备号获取dev1.minor=MINOR(dev1.dev_num);//通过MINOR()函数进行次设备号获取printk("major is %d\n",dev1.major);printk("minor is %d\n",dev1.minor);使用cdev_init()函数初始化cdev_test结构体，并链接到cdev_test_ops结构体cdev_init(&dev1.cdev_test,&fops_test);dev1.cdev_test.owner = THIS_MODULE;//将owner字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块 cdev_add(&dev1.cdev_test,dev1.dev_num,1);printk("cdev_add is ok\n");dev1.class_test = class_create(THIS_MODULE,"class_test");//使用class_create进行类的创建，类名称为class_testdevice_create(dev1.class_test,NULL,dev1.dev_num,NULL,"device_test");//使用device_create进行设备的创建，设备名称为device_testreturn 0;
}
static void __exit chrdev_fops_exit(void)//驱动出口函数
{cdev_del(&dev1.cdev_test);//使用cdev_del()函数进行字符设备的删除unregister_chrdev_region(dev1.dev_num,1);//释放字符驱动设备号 device_destroy(dev1.class_test,dev1.dev_num);//删除创建的设备class_destroy(dev1.class_test);//删除创建的类printk("module exit \n");}
module_init(chrdev_fops_init);//注册入口函数
module_exit(chrdev_fops_exit);//注册出口函数
MODULE_LICENSE("GPL v2");//同意GPL开源协议
MODULE_AUTHOR("wang fang chen "); //作者信息部分源码解读
- 上面测试源码demo，完全还是基于之前字符设备的一套，和 原子操作实验代码完全一样，唯一区别是没有用原子操作来防止竞争，用了自旋锁来防止资源竞争
- 可以简要看一下 自旋锁这里是一堆一堆出现的。 spin_lock(&spinlock_test); //自旋枷锁 spin_unlock(&spinlock_test); //自旋锁解锁
就是枷锁 设置flag,然后解锁。 恢复flag 状态时候 就枷锁->设置flag 的值->解锁。
Makefile 编译文件
#!/bin/bash
export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
obj-m += spinlock.o
KDIR :=/home/wfc123/Linux/rk356x_linux/kernel
PWD ?= $(shell pwd)
all:make -C $(KDIR) M=$(PWD) modulesclean:make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean测试程序 app.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main(int argc,char *argv[])
{int fd;//定义int类型的文件描述符char str1[10]={0};//定义读取缓冲区str1fd=open(argv[1],O_RDWR,0666);//调用open函数，打开输入的第一个参数文件，权限为可读可写//fd=open("/dev/device_test",O_RDWR,0666);//调用open函数，打开输入的第一个参数文件，权限为可读可写if(fd<0){printf("open is error\n");return -1;}printf("open is ok\n");if(strcmp(argv[2],"topeet")==0){write(fd,"topeet",sizeof(str1)); }else if(strcmp(argv[2],"itop")==0){write(fd,"itop",sizeof(str1)); }close(fd);//调用close函数，对取消文件描述符到文件的映射return 0;
}编译 测试程序 app
aarch64-linux-gnu-gcc -o app app.c -static加载驱动 insmod
执行命令，测试结果如下：
查看 dev 下生成的字符设备
ls /dev/device_test
[root@topeet:/mnt/sdcard]# ls /dev/device_test
/dev/device_test
[root@topeet:/mnt/sdcard]#
测试脚本 app.sh
本次测试的 CPU 为多核心 CPU， 其他核心仍旧可以调度其他进程， 所以需要多次使用taskset 函数指定 CPU 进行进程的运行， 以此来产生死锁， 在与 app.c 同级目录下创建名为 app.sh的脚本文件， 脚本内容如下所示
#!/bin/bash
taskset -c 0 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 1 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 2 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 3 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 0 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 1 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 2 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 3 ./app /dev/device_test topeet &
保存退出之后， 需要使用以下命令赋予脚本可执行权限：
chmod 777 app.sh执行脚本验证
结果是，卡死，系统已经死掉了，只能重启。
总结
- 通过程序验证，和自旋锁死锁 有了初步认识
- 为什么会死锁，为什么之前的自旋锁环境没有死锁，这个地方需要思考下。 指定了CPU、内核睡眠等待、其它进程重复获得自旋锁等原因造成的
- 自旋锁的实际案例和规避死锁，后面再进一步理解的要