【干货】同步与互斥的失败例子

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本文是其中一节《同步与互斥的失败例子》视频配套文档，

《同步与互斥的失败例子》免费试看版(2分钟，完整版7分46秒)：

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光看文档可能难度稍大，建议结合视频进行学习；gg完毕，开始干货。

1.2 同步与互斥的失败例子

注意：本节在GIT上没有源码。

GIT地址：

git clone https://e.coding.net/weidongshan/01_all_series_quickstart.git

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，是因为它们之间的关系很大，“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：

01 void  抢厕所(void)
02 {
03    if (有人在用) 我眯一会;
04    用厕所;
05    喂，醒醒，有人要用厕所吗;
06 }

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？

1.2.1 失败例子1

01 static int valid = 1;
02
03 static ssize_t gpio_key_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
04 {
05      if (!valid)
06      {
07              return -EBUSY;
08      }
09      else
10      {
11              valid = 0;
12      }
13
14      return 0; //成功
15 }
16
17 static int gpio_key_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
18 {
19      valid = 1;
20      return 0;
21 }
22

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)。

1.2.2 失败例子2

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：

01 static int valid = 1;
02
03 static ssize_t gpio_key_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
04 {
05      if (--valid)
06      {
07              valid++;
08              return -EBUSY;
09      }
10      return 0;
11 }
12
13 static int gpio_key_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
14 {
15      valid = 1;
16      return 0;
17 }
18

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。

1.2.3 失败例子3

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？

01 static int valid = 1;
02
03 static ssize_t gpio_key_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
04 {
05       unsigned long flags;
06       raw_local_irq_save(flags); // 关中断
07      if (--valid)
08      {
09              valid++;
10              raw_local_irq_restore(flags);  // 恢复之前的状态
11              return -EBUSY;
12      }
13       raw_local_irq_restore(flags);          // 恢复之前的状态
14      return 0;
15 }
16
17 static int gpio_key_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
18 {
19      valid = 1;
20      return 0;
21 }

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：