嵌入式Linux驱动开发基础知识（二）

以下是针对这些并发控制概念的通俗解释，通过生活场景类比和代码示例帮助理解：

一、核心概念通俗解释

1. 原子操作（Atomic Operations）

• 生活类比：银行ATM机取钱，系统必须保证"扣款+出钞"这两个操作要么全部完成，要么全部不完成，不能只扣款不出钞。
• 代码作用：保护单个变量（如计数器）的简单操作，确保操作不可分割。
• 示例：

  atomic_t counter = ATOMIC_INIT(0);  // 初始化原子变量
  atomic_inc(&counter);              // 安全的自增操作
  

2. 自旋锁（Spinlock）

• 生活类比：公共卫生间只有1个坑位，你站在门口不断尝试开门（忙等待），直到里面的人出来。
• 代码作用：短时间保护临界区，不会让出CPU（适合中断上下文）。
• 示例：

  spinlock_t lock;
  spin_lock_init(&lock);
  
  spin_lock(&lock);     // 获取锁
  // 操作共享资源...
  spin_unlock(&lock);   // 释放锁
  

3. 信号量（Semaphore）

• 生活类比：停车场有5个车位，每进一辆车剩余车位减1，车位满时后续车辆排队等待。
• 代码作用：管理多个资源的访问，允许线程休眠等待。
• 示例：

  struct semaphore sem;
  sema_init(&sem, 5);  // 初始化5个资源
  
  down(&sem);         // 获取资源（若无资源则休眠）
  // 使用资源...
  up(&sem);           // 释放资源
  

4. 互斥体（Mutex）

• 生活类比：公司打印机同一时间只能1个人使用，其他人需要排队等待。
• 代码作用：替代二值信号量，更高效地保护单一资源，支持优先级继承（防止低优先级任务长期占用锁）。
• 示例：

  struct mutex lock;
  mutex_init(&lock);
  
  mutex_lock(&lock);   // 获取锁（可能休眠）
  // 操作共享资源...
  mutex_unlock(&lock); // 释放锁
  

5. 读写锁（Read-Write Lock）

• 生活类比：图书馆允许多人同时阅读同一本书（读锁），但写书评时需独占（写锁）。
• 代码作用：优化读多写少场景，允许多个读者同时访问。
• 示例：

  rwlock_t lock;
  rwlock_init(&lock);
  
  // 读者
  read_lock(&lock);
  // 读取数据...
  read_unlock(&lock);
  
  // 写者
  write_lock(&lock);
  // 修改数据...
  write_unlock(&lock);
  

二、阻塞 vs 非阻塞

示例对比

// 阻塞读取（用户进程休眠）
ssize_t read(...) {
    wait_event(queue, data_ready);
    // 读取数据...
}

// 非阻塞读取（立即返回）
ssize_t read(...) {
    if (!data_ready)
        return -EAGAIN; // 告知用户态"稍后再试"
    // 读取数据...
}

三、竞争与并发

• 竞争（Race Condition）：多个执行流（线程/中断）同时修改共享资源，导致数据不一致。
  示例：两个线程同时执行counter++，实际可能只增加1次。
• 并发控制：通过上述锁机制消除竞争。

典型场景

1. 中断与进程上下文共享数据
   • 需用spin_lock_irqsave()禁用中断 + 自旋锁
2. 多核CPU共享资源
   • 使用原子操作或percpu变量

四、选择机制的决策树

五、实战练习建议

1. 原子操作实验：实现一个多线程安全计数器
2. 自旋锁实验：在中断上下文保护共享缓冲区
3. 互斥体实验：控制多个进程对同一设备的访问顺序
4. 读写锁实验：统计日志文件的读取和写入操作