linux內核原子操作使用簡介

驅動開發住常見的一個問題：就是一個驅動可以被多個進程同時打開，使用，這樣會導致驅動功能混亂。

./app & ./app & ./app 可以同時打開這個設備，可通過文件描述符調用驅動的其他接口操作這個設備。

如果想只一個進程使用這個設備，只需要在open接口函數做打開判斷。

示例：
static int open_flag = 0;
//打開設備時候執行的程序
static int chrdev_open(struct inode *pinode, struct file *pfile)
{
//打開判斷
if(open_flag)
return -EBUSY;
open_flag = 1; //設置設備已經被打開的標誌

printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n", __LINE__, __FUNCTION__);

return 0;
}

//關閉設備時執行的程序
static int chrdev_release(struct inode *pinode, struct file *pfile)
{
open_flag = 0; //設置設備已經被打開的標誌
printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n", __LINE__, __FUNCTION__);
return 0;
}

以上的效果實現，但是不安全。
分析：
open_flag = 1; 這條語句編譯彙編最少得3條。只需要執行時候沒有一次完成，中途被其他進程打開，剛剛這個進程又調用open打開這個設備。這樣，新進程也可以打開成功。

怎麼樣纔可以安全做一次性執行完成這三個步驟？

關係統中斷; -->關中斷後不會任務調度情況，這樣就是安全。
open_flag = 1;
開系統中斷; -->重新恢復系統調度

示例：
unsigned long flags;
raw_local_irq_save(flags); //關中斷
open_flag = 1; //設置設備已經被打開的標誌
raw_local_irq_restore(flags); //開中斷

Linux內核已經提供相關的一些，很方便實現這樣的效果。原子操作，信號量，互斥信號量，自旋鎖。

原子操作：

1.概念：

原子，是最小的可以獨立存在的物質單元，是不可分割。把一個完整的，不可中斷的操作過程稱爲原子操作。Linux系統中的原子本質就是對一個Int類型變量進行操作，但是，它整個操作操作進行控制，保證這個過程是一次性完成。

2. 數據結構

Types.h (include\linux)

typedef struct {
	volatile int counter;
} atomic_t;

本質就是一個int類型變量，可以這個機制很簡單，內核只提供對這個變量的+,-,讀，賦值操作相關的接口。volatile 修飾字段告訴 gcc 不要對該類型的數據做優化處理，對它的訪問都是對內存的訪問，而不是對寄存器的訪問。

3. 相關的API

Atomic.h (include\linux)
Atomic.h (include\asm-generic)

ATOMIC_INIT(v);

宏原型	#define ATOMIC_INIT(i) { (i) }
宏功能	初始化爲原子變量爲 i
宏參數	i：值
所在頭文件	arch\arm\include\asm\atomic.h
宏定義文件	arch\arm\include\asm\atomic.h

atomic_read(atomic_t * v);

宏原型	#define atomic_read(v) ((volatile int )&(v)->counter)
宏功能	對原子類型的變量進行原子讀操作，它返回原子類型的變量 v 的值。
宏參數	v：原子變量指針
所在頭文件	arch\arm\include\asm\atomic.h
宏定義文件	arch\arm\include\asm\atomic.h

atomic_set(atomic_t * v, int i);

函數原型	#define atomic_set(v,i) (((v)->counter) = (i))
函數功能	給v增加值i
參數	v：原子變量指針 i：增加的值
返回值	無
頭文件	arch/arm/include/asm/atomic.h

void atomic_sub(int i, atomic_t *v)

函數原型	#define atomic_sub(i, v) (void) atomic_sub_return(i, v)
函數功能	給v減值i
參數	v：原子變量指針 i：減的值
返回值	無
頭文件	arch/arm/include/asm/atomic.h

atomic_sub_and_test(i, v)

宏原型	#define atomic_sub_and_test(i, v) (atomic_sub_return(i, v) == 0)
宏功能	該函數從原子類型的變量 v 中減去 1，並判斷結果是否爲 0，如果爲 0，返回真，否則返回假。
宏參數	v：原子變量指針；
宏返回值	非 0：相減結果爲 0； 0：相減結果不爲 0。（因爲宏對就的是函數，所以有返回值）
所在頭文件	arch\arm\include\asm\atomic.h
宏定義文件	arch\arm\include\asm\atomic.h

atomic_inc(v);

宏原型	#define atomic_sub(i, v) (void) atomic_sub_return(i, v)
宏功能	對原子類型變量 v 原子加 1
宏參數	v：原子變量指針；
所在頭文件	arch\arm\include\asm\atomic.h
宏定義文件	arch\arm\include\asm\atomic.h

atomic_dec(v)

宏原型	#define atomic_sub(i, v) (void) atomic_sub_return(i, v)
宏功能	對原子類型的變量 v 原子減 1
宏參數	v：原子變量指針；
所在頭文件	arch\arm\include\asm\atomic.h
宏定義文件	arch\arm\include\asm\atomic.h

atomic_dec_and_test(v)

宏原型	#define atomic_dec_and_test(v) (atomic_sub_return(1, v) == 0)
宏功能	對原子類型的變量 v 原子減 1，並判斷結果是否爲 0，如果爲 0，返回真，否則返回假。
宏參數	v：原子變量指針；
宏返回值	非 0：相減結果爲 0； 0：相減結果不爲 0。（因爲宏對就的是函數，所以有返回值）
所在頭文件	arch\arm\include\asm\atomic.h
宏定義文件	arch\arm\include\asm\atomic.h

atomic_inc_and_test(v)

宏原型	#define atomic_inc_and_test(v) (atomic_add_return(1, v) == 0)
宏功能	對原子變量v增加1，並判斷結果是否爲0，如果爲0，返回真，否則返回假
宏參數	v：原子變量指針；
宏返回值	非 0：增加 1 結果爲 0； 0：增加 1 結果不爲 0。（因爲宏對就的是函數，所以有返回值）
所在頭文件	arch\arm\include\asm\atomic.h
宏定義文件	arch\arm\include\asm\atomic.h

atomic_add_negative(i,v)

宏原型	#define atomic_add_negative(i,v) (atomic_add_return(i, v) < 0)
宏功能	對原子類型的變量 v 增加 i，並判斷結果是否爲負數，如果是，返回真，否則返回假。
宏參數	v：原子變量指針； i:要加的值
宏返回值	非 0：加 i 後結果爲負數； 0：減去 i 後結果爲不負數。（因爲宏對就的是函數，所以有返回值）
所在頭文件	arch\arm\include\asm\atomic.h
宏定義文件	arch\arm\include\asm\atomic.h

int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)

函數原型	static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)
函數功能	對原子類型的變量 v 增加 i，並且返回 v 的值
函數參數	v：原子變量指針； i:要加的值
函數返回值	加 i 後的原子變量值
所在頭文件	arch\arm\include\asm\atomic.h
函數定義文件	arch\arm\include\asm\atomic.h

int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v)

函數原型	static inline int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v)
函數功能	原子類型的變量 v 中減去 i，並且返回 v 的值
函數參數	v：原子變量指針； i:要減去的值
函數返回值	減去 i 後的原子變量值
所在頭文件	arch\arm\include\asm\atomic.h
函數定義文件	arch\arm\include\asm\atomic.h

atomic_inc_return(v)

宏原型	#define atomic_inc_return(v) (atomic_add_return(1, v))
宏功能	對原子類型的變量 v 增加 1 並且返回 v 的值
宏參數	v：原子變量指針；
宏返回值	原子變量增加 1 後的值； (因爲宏對應的就是函數，所以有返回值)
所在頭文件	arch\arm\include\asm\atomic.h
宏定義文件	arch\arm\include\asm\atomic.h

atomic_dec_return(v)

宏原型	#define atomic_dec_return(v) (atomic_sub_return(1, v))
宏功能	對原子類型的變量 v 減 1 並且返回 v 的值。
宏參數	v：原子變量指針；
宏返回值	原子變量減 1 後的值； (因爲宏對應的就是函數，所以有返回值)
所在頭文件	arch\arm\include\asm\atomic.h
宏定義文件	arch\arm\include\asm\atomic.h

爲了說明原子操作的作用和用法，現在舉個例子，使用原子變量實現設備只能被一個進程打開。

#include <linux/module.h> /* Needed by all modules */
#include <linux/init.h> /* Needed for the module-macros */
#include <linux/fs.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <asm/atomic.h>
#define LEDS_MAJOR 255
#define DEVICE_NAME "miscdev_atomic"
static atomic_t miscdev_atomic = ATOMIC_INIT(1); //定義並初始化一個原子變量
static int first_miscdev_open(struct inode *pinode, struct file *pfile)
{
printk (KERN_EMERG "Linux miscdevice:%s is call\r\n",__FUNCTION__);
if( !atomic_dec_and_test(&miscdev_atomic) ) {
printk(KERN_ERR DEVICE_NAME " is already open!\n");
atomic_inc(&miscdev_atomic);
return -EBUSY;
}
return 0;
}
int first_miscdev_release (struct inode *inode, struct file *file)
{
printk (KERN_EMERG "Linux miscdevice:%s is call\r\n",__FUNCTION__);
atomic_inc(&miscdev_atomic); //釋放原子變量
return 0;
}
static struct file_operations dev_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = first_miscdev_open,
.release= first_miscdev_release,
};
static struct miscdevice misc =
{
.minor = LEDS_MAJOR,
.name = DEVICE_NAME,
.fops = &dev_fops,
};
/* 模塊裝載執行函數 */
static int __init first_miscdev_init(void)
{
int ret;
ret = misc_register(&misc); //註冊混雜設備
if(ret <0)
printk (KERN_EMERG DEVICE_NAME"\t err\r\n");
printk (KERN_EMERG DEVICE_NAME"\tinitialized\n");
return ret;
}
/* 模塊卸載執行函數 */
static void __exit first_miscdev_exit(void)
{
misc_deregister(&misc);
printk(KERN_EMERG "Goodbye,cruel world!, priority = 0\n");
}
module_init(first_miscdev_init);
module_exit(first_miscdev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("XYD");
MODULE_DESCRIPTION("This the samlpe drv_test");

從上面可以看到，其實只是在原來的字符設備驅動的 open 函數中增加了原子操作判斷相關的代碼，在關閉函數中增了釋放原子操作的代碼。其餘的代碼基本不用改動，這樣就可以保證這個驅動只能被一個進程使用，保證了驅動的安全性。當然，原子操作代碼不僅僅是可以放在 open 函數上，可以根據需要放在不同的地方，比如放在 write 函數中，可以實現驅動可以被多進程打開，但是在同時刻只能被一個進程寫操作，讀操作可以被多進程讀，因爲讀操作不會破壞數據，而寫操作會，所以，有時候這處功能恰好是我們想要的結果，就可以這樣寫。原子操作提供了很多 API，以上只以使用其中一種寫法，讀者可以在理解了的基礎上使用其他 API 來實現相同的功能。

linux內核原子操作使用簡介

ATOMIC_INIT(v);

atomic_read(atomic_t * v);

atomic_set(atomic_t * v, int i);

void atomic_sub(int i, atomic_t *v)

atomic_sub_and_test(i, v)

atomic_inc(v);

atomic_dec(v)

atomic_dec_and_test(v)

atomic_inc_and_test(v)

atomic_add_negative(i,v)

int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)

int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v)

atomic_inc_return(v)

atomic_dec_return(v)

爲了說明原子操作的作用和用法，現在舉個例子，使用原子變量實現設備只能被一個進程打開。

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