使用Linux自旋锁实现互斥点灯

1. 自旋锁介绍

自旋锁最多只能被一个可执行线程持有。 如果一个线程试图获得一个已经被持有的自旋锁，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环； 如果锁未被持有，请求锁的执行线程就可以立即得到它，继续执行

等待自旋锁的线程一直处于自旋状态，会浪费处理器时间，降低系统性能，因此自旋锁的持有时间不能太长，适用于短时期的轻量级加锁

内核使用结构体spinlock_t表示自旋锁，结构体定义如下所示：

typedef struct spinlock {
    union {
        struct raw_spinlock rlock;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
#define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))
        struct {
            u8 __padding[LOCK_PADSIZE];
            struct lockdep_map dep_map;
        };
#endif
    };
} spinlock_t;

自旋锁操作相关API函数如下图示：

2. 自旋锁实例

本实例中使用自旋锁操作来实现对LED设备的互斥访问，即一次只允许一个应用程序使用LED灯，代码是在pinctrl与gpio子系统下的字符设备驱动框架一文的基础上完成的

在本例程中，定义一个变量dev_stats表示设备的使用情况，该变量为0时表示设备没有被使用，大于0时表示设备被使用。 在驱动的open函数中需先判断该变量是否为0，若为0的话就使用设备，并且将dev_stats加1，表示设备被使用了。 使用完后在release函数中需将dev_stats减1，表示设备没有被使用了。 因此真正实现设备互斥访问的是变量dev_stats，我们使用自旋锁对dev_stats来做保护

2.1 修改设备树文件

设备树文件修改与pinctrl与gpio子系统下的字符设备驱动框架文中的修改方法一样，不需要做任何修改

2.2 编写驱动程序

拷贝pinctrl与gpio子系统下的字符设备驱动框架文中的gpioled.c驱动文件，并重命名为spinlock.c，对部分代码进行修改，其余保持不变

在设备结构体中，添加自旋锁以及设备状态变量dev_stats

struct gpioled_dev{
    dev_t devid;               //设备号
    struct cdev cdev;          //cdev字符设备
    struct class *class;       //类
    struct device *device;     //设备
    int major;                 //主设备号
    int minor;                 //次设备号
    struct device_node *nd;    //设备节点
    int led_gpio;              //所使用的gpio编号
    int dev_stats;             //设备状态,为0表示设备为使用
    spinlock_t lock;           //自旋锁
};

struct gpioled_dev gpioled;    //定义led设备

打开设备时，判断dev_stats的值来检查LED有没有被占用

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp){
    unsigned long flags;
    filp->private_data = &gpioled;             //设置私有数据

    spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags);           //上锁
    if(gpioled.dev_stats)){
        spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);  //解锁
        return -EBUSY;                     //LED被使用，返回忙
    }
    gpioled.dev_stats++;                   //标记设备以打开
    spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);      //解锁
 
    return 0;
}

关闭设备时，将dev_stats减1，表示设备没有被使用了

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp){
    unsigned long flags;
    struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
 
    spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags);          //上锁
    if(dev->dev_stats)){
        dev->dev_stats--;
    }
    spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);     //解锁

    return 0;
}

驱动入口函数中，对自旋锁进行初始化

static int __init led_init(void){
    int ret = 0;
    /* 初始化自旋锁 */
    spin_lock_init(&gpioled.lock);  
    /* 设置 LED 所使用的 GPIO */
    /* 1、获取设备节点：gpioled */
    gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
    ......
    ......
}

2.3 编写测试程序

拷贝pinctrl与gpio子系统下的字符设备驱动框架文中的gpioledApp.c测试程序，并重命名为spinlockApp.c，添加模拟占用LED的代码，使测试程序在获取LED驱动使用权后会持续一段时间，添加如下代码

while(1){
    sleep(5);
    cnt++;
    printf("App running times: %d\\r\\n",cnt);
    if(cnt >= 5)
        break;
}

2.4 编译测试

编译驱动程序：当前目录下创建Makefile文件，并make编译

KERNELDIR := /home/andyxi/linux/kernel/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_andyxi
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := spinlock.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

编译测试程序：无需内核参与，直接编译即可

arm-linux-gnueabihf-gcc spinlockApp.c -o spinlockApp

运行测试：启动开发板后，加载驱动模块，操作LED灯后，相应时间内再次操作LED会提示失败，说明互斥点灯成功

depmod                   #第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe spinlock.ko      #加载驱动
# 打开LED后，每隔5秒会输出一行App running times
./spinlockApp /dev/gpioled 1&   # & 表示在后台运行APP

# 在LED被占用期间，再次操作LED，会输出打开驱动失败
./spinlockApp /dev/gpioled 0