同步与互斥的失败例子-02

一句话理解同步与互斥：我等你用完厕所，我再用厕所。

什么叫同步？就是条件不允许，我要等等。

什么是互斥？你我早起都要用厕所，谁先抢到谁先用，中途不被打扰。

同步与互斥经常放在一起讲，是因为它们之的关系很大，“互斥”操作可以使用“同步”来实现。我“等”你用完厕所，我再用厕所。这不就是用“同步”来实现“互斥”吗？

有时候看代码更容易理解，伪代码如下：

假设有A、B两人早起抢厕所，A先行一步占用了；B慢了一步，于是就眯一会；当A用完后叫醒B，B也就愉快地上厕所了。

在这个过程中，A、B是互斥地访问“厕所”，“厕所”被称之为临界资源。我们使用了“休眠-唤醒”的同步机制实现了“临界资源”的“互斥访问”。

 

 

上面是一个有“味道”的例子，回到程序员的世界，一个驱动程序同时只能有一个APP使用，怎么实现？

 

看第5行，我们使用一个全局变量valid来实现互斥访问。这有问题吗？很大概率没问题，但是并非万无一失。

注意：编写驱动程序时，要有系统的概念，程序A调用驱动程序时，它可能被程序B打断，程序B也去调用这个驱动程序。

下图是一个例子，程序A在调用驱动程序的中途被程序B抢占了CPU资源：

程序A执行到第11行之前，被程序B抢占了，这时valid尚未被改成0；

程序B调用gpio_key_drv_open时，发现valid等于1，所以成功返回0；

当程序A继续从第11行执行时，它最终也成功返回0；

这样程序A、B都成功打开了驱动程序。

注意：在内核态，程序A不是主动去休眠、主动放弃CPU资源；而是被优先级更高的程序B抢占了，这种行为被称为“preempt”(抢占)。

 

上面的例子是不是第5行到第11行的时间跨度大长了？再优化一下程序行不行？代码如下：

 

第5行先减1再判断，这样可以更大概率地避免问题，但是还是不能确保万无一失。对数据的修改分为3步：读出来、修改、写进去。请看下图：

 

进程A在读出valid时发现它是1，减1后为0，这时if不成立；但是修改后的值尚未写回内存；

假设这时被程序B抢占，程序B读出valid仍为1，减1后为0，这时if不成立，最后成功返回；

轮到A继续执行，它把0值写到valid变量，最后也成功返回。

这样程序A、B都成功打开了驱动程序。

 

 

前面2个例子，都是在修改valid的过程中被别的进程抢占了，那么在修改valid的时候直接关中断不就可以了吗？

 

 

第06行直接关中断，这样别的线程、中断都不能来打扰本线程了，在它读取、修改valid变量的过程中无人打扰。

没有问题了？

 

 

 

对于单CPU核的系统上述代码是没问题的；但是对于SMP系统，你只能关闭当前CPU核的中断，别的CPU核还可以运行程序，它们也可以来执行这个函数，同样导致问题，如下图：

 

假设CPU0上进程A、CPU1上进程B同时运行到上图中读出valid的地方，它们同时发现valid都是1，减减后都等于0，在第07行判断条件都不成立，所以在第14行都可以返回0，都可以成功打开驱动。