看過一道linux內核驅動編程的題目，我覺得有點價值。
題目很簡單，憑記憶整理了下，代碼如下：
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/kthread.h>
struct task_struct *task = NULL;
int x = 0;
int y = 0;
static int test_loop(void *data)
{
unsigned long time_end = jiffies;
while (y == 0) {
if (time_after(jiffies, time_end + 10 *HZ)) {
printk("break out!\n");
break;
}
}
if (y) {
printk("test_loop : x=%d y=%d\n", x, y);
}
return 0;
}
static int __init test_init(void)
{
task = kthread_create(test_loop, 0,"test_loop");
wake_up_process(task);
msleep(100);
x = 255;
y = 1;
printk("x=%d y=%d\n", x, y);
kthread_stop(task);
task = NULL;
return 0;
}
static void __exit test_exit(void)
{
}
module_init(test_init);
module_exit(test_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
如果有興趣可以在自己的linux環境上操作下，看下輸出結果。
Makefile如下：
obj-m := test.o
KERNEL_DIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)
all:
make -C $(KERNEL_DIR) SUBDIRS=$(PWD) modules
clean:
rm *.o *.ko *.mod.c
.PHONY:clean
驅動代碼很簡潔，只有一個內核線程和2個全局變量，全局變量在內核線程喚醒後纔會改變。
其實這個題目有2處問題。
我們先嚐試編譯運行一下，結果輸出：
[ 5886.273365] x=255 y=1
[ 5896.174020] break out!
[ 5896.174023] test_loop : x=255 y=1
這裏打印了“break out”， 且2行輸出之間間隔了10s.
這是一個併發編程很容易碰到的坑，不管是內核驅動代碼還是應用層代碼，都有可能碰到。
爲了方便定位，使用應用層代碼復現一下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
int y = 0;
int x = 0;
static void *test_loop(void *data)
{
while (y == 0 ){
}
if (y) {
printf("test_loop: x=%d y=%d\n", x, y);
}
}
int main(int argc, char *argv)
{
pthread_t t1;
int ret = 0;
ret = pthread_create(&t1, NULL, &test_loop, 0);
if (ret) {
printf("create pthread error!\n");
return -1;
}
usleep(1000);
x = 255;
y = 1;
printf("x=%d y=%d\n", x, y);
pthread_join(t1, NULL);
}
[root]# gcc -g -O2 -o test mb_user.c -lpthread
[root]# ./test
x=255 y=1
結果輸出一行打印後，陷入了死循環，問題現象一致。
嘗試對應用層源代碼反彙編一下：
objdump -S test > test.s
00000000004006f0 <test_loop>:
{
4006f0: 8b 15 5a 09 20 00 mov 0x20095a(%rip),%edx #****賦值y****
while (y == 0 ){
4006f6: 85 d2 test %edx,%edx #****比較y和0的大小****
4006f8: 74 1b je 400715 <test_loop+0x25> #****跳轉到400175偏移 test_loop****
{
4006fa: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
printf("test_loop: x=%d y=%d\n", x, y);
4006fe: 8b 35 50 09 20 00 mov 0x200950(%rip),%esi
400704: bf b0 07 40 00 mov $0x4007b0,%edi
400709: 31 c0 xor %eax,%eax
40070b: e8 30 fe ff ff callq 400540 <printf@plt>
}
400710: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
400714: c3 retq
400715: eb fe jmp 400715 <test_loop+0x25> # *****無限死循環************
400717: 66 0f 1f 84 00 00 00 nopw 0x0(%rax,%rax,1)
40071e: 00 00
反彙編的結果，可以看到的確在便宜“400715”的位置陷入了死循環。爲什麼會這樣呢？
是編譯器優化導致的嗎？
對代碼重新編譯，不適用編譯器優化：
[root]# gcc -g -O0 -o test mb_user.c -lpthread
[root]# ./test
x=255 y=1
test_loop: x=255 y=1
現在輸出顯示正常。
這個問題是由於編譯器優化導致的，y的值被更改之後，並沒有被線程識別到，這個時候需要程序員在編碼時就應該識別到會有這種現象，通過volatile 聲明y向量
volatile int y = 0
一旦一個共享變量（類的成員變量、類的靜態成員變量）被volatile修飾之後，就會保證不同線程對這個變量進行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。
對代碼重新進行編寫後，反覆卸載加載驅動：
while true
do
insmod test.ko
rmmod test.ko
done
執行上百次後，出現：
Dec 1 01:31:37 localhost kernel: test_loop : x=255 y=1
Dec 1 01:31:37 localhost kernel: x=255 y=1
Dec 1 01:31:38 localhost kernel: test_loop : x=255 y=1
Dec 1 01:31:38 localhost kernel: x=255 y=1
Dec 1 01:31:39 localhost kernel: test_loop : x=255 y=1
Dec 1 01:31:39 localhost kernel: x=255 y=1
Dec 1 01:31:40 localhost kernel: test_loop : x=255 y=1
Dec 1 01:31:40 localhost kernel: x=0 y=1
Dec 1 01:31:41 localhost kernel: test_loop : x=255 y=1
Dec 1 01:31:41 localhost kernel: x=255 y=1
Dec 1 01:31:42 localhost kernel: test_loop : x=255 y=1
Dec 1 01:31:42 localhost kernel: x=255 y=1
其中出現了x=0 y=1的打印，爲什麼x在y之前賦值，反而出現了x=0的現象呢？
這個問題的主要原因是因爲x和y變量弱依賴性，CPU在執行指令時亂序執行。
防止CPU在關鍵位置進行亂序執行，可以使用內存屏障保證。
在x和y賦值之間，加入內存屏障
x = 255;
smp_wmb();
y = 1;