IO機(jī)制vs下半部機(jī)制vs并發(fā)控制機(jī)制

IO機(jī)制vs下半部機(jī)制vs并發(fā)控制機(jī)制Jet.chenJet.chen.g@目錄預(yù)備知識(shí)三種機(jī)制的比較下半部機(jī)制并發(fā)控制機(jī)制匯總驅(qū)動(dòng)IO機(jī)制匯總FAQ預(yù)備知識(shí)1.三種線程:內(nèi)核線程、輕量級(jí)進(jìn)程、用戶線程內(nèi)核線程：kthread_create()輕量級(jí)進(jìn)程：clone()用戶線程：Pthread_create()2.一種進(jìn)程:用戶進(jìn)程linux普通應(yīng)用：API：fork/vfork/clone/Linux中，每個(gè)XX都有一個(gè)task_struct，所以線程和進(jìn)程可以使用同一調(diào)度器調(diào)度。因?yàn)長inux中進(jìn)程的概念已經(jīng)被抽象成了計(jì)算狀態(tài)加資源的集合，這些資源在進(jìn)程間可以共享。

為何要區(qū)分？使用資源和同步效率，調(diào)度開銷等都不一樣。知識(shí)預(yù)備-進(jìn)程上下文和中斷上下文概念描述什么時(shí)候發(fā)生進(jìn)程上下文主要是異常處理程序和內(nèi)核線程。內(nèi)核之所以進(jìn)入進(jìn)程上下文是因?yàn)檫M(jìn)程自身的一些工作需要在內(nèi)核中做。例如，系統(tǒng)調(diào)用是為當(dāng)前進(jìn)程服務(wù)的，異常通常是處理進(jìn)程導(dǎo)致的錯(cuò)誤狀態(tài)等。所以在進(jìn)程上下文中引用current是有意義的。進(jìn)程調(diào)度；系統(tǒng)調(diào)用；中斷上下文是因?yàn)橹袛嘈盘?hào)而導(dǎo)致的中斷處理或軟中斷。而中斷信號(hào)的發(fā)生是隨機(jī)的，中斷處理程序及軟中斷并不能事先預(yù)測(cè)發(fā)生中斷時(shí)當(dāng)前運(yùn)行的是哪個(gè)進(jìn)程，所以在中斷上下文中引用current是可以的，但沒有意義。事實(shí)上，對(duì)于A進(jìn)程希望等待的中斷信號(hào)，可能在B進(jìn)程執(zhí)行期間發(fā)生。例如，A進(jìn)程啟動(dòng)寫磁盤操作，A進(jìn)程睡眠后現(xiàn)在時(shí)B進(jìn)程在運(yùn)行，當(dāng)磁盤寫完后磁盤中斷信號(hào)打斷的是B進(jìn)程，在中斷處理時(shí)會(huì)喚醒A進(jìn)程。

發(fā)生中斷；

為什么在中斷上下文中不能休眠?原因在于中斷上下文不是一個(gè)進(jìn)程上下文，其沒有一個(gè)專門用來描述CPU寄存器等信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以無法被調(diào)度器調(diào)度。如果將中斷上下文也設(shè)計(jì)成進(jìn)程上下文，那么調(diào)度器就可以對(duì)其進(jìn)行調(diào)度，如果在開中斷的情況下，其自然就可以睡眠了。但是，如果這樣設(shè)計(jì)，那么中斷處理的效率將會(huì)降低。中斷（硬中斷、軟中斷）處理都是些耗時(shí)不是很長，對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，執(zhí)行頻度較高的應(yīng)用，所以，如果采用一個(gè)專門的后臺(tái)daemon對(duì)其處理，顯然并不合適。三種機(jī)制的比較機(jī)制描述種類實(shí)現(xiàn)下半部機(jī)制

由下到上的

通知機(jī)制；軟中斷，工作隊(duì)列，tasklet，內(nèi)核定時(shí)器等；同步/異步IO機(jī)制

是由上到下（或者驅(qū)動(dòng)程序自發(fā)）的

IO通信機(jī)制。分為阻塞IO(異步)與非阻塞IO(同步)

等待隊(duì)列，poll，epoll，Completions機(jī)制等并發(fā)控制機(jī)制提供并發(fā)控制機(jī)制，對(duì)共享資源進(jìn)行保護(hù)。spinlock，mutex,信號(hào)量，中斷屏蔽、順序鎖(seqlock)、RCU(Read-Copy-Update)等在編程中

往往三者互相使用：

比如

hwm_sensor的驅(qū)動(dòng)：用到（內(nèi)核定時(shí)器+工作隊(duì)列+mutex取決于

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的需要。）Mtklogdump：就用到poll+等待隊(duì)列下半部機(jī)制機(jī)制是否在進(jìn)程上下文是否在中斷上下文可否睡眠是否需要內(nèi)核線程性能CPU的支持特性是否需要調(diào)度應(yīng)用場(chǎng)合軟中斷

yesYesNo可有可無，取決于調(diào)用時(shí)機(jī)高1）一個(gè)類型的軟中斷可以執(zhí)行在多個(gè)CPU；2）并發(fā)運(yùn)行在多個(gè)CPU上（即使同一類型的也可以）。所以軟中斷必須設(shè)計(jì)為可重入的函數(shù)（允許多個(gè)CPU同時(shí)操作），因此也需要使用自旋鎖來保護(hù)其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。YES考慮因素：多CPU;不可睡眠，不可阻塞；軟中斷是在編譯期間靜態(tài)分配；系統(tǒng)開銷相對(duì)??；設(shè)計(jì)難度高；適合執(zhí)行頻率高和連續(xù)性執(zhí)行要求高的情況，性能較高；應(yīng)用：目前只有兩個(gè)子系直接使用軟中斷：網(wǎng)絡(luò)和SCSI。

例如在網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中，注冊(cè)了如下兩個(gè)softirq及其處理函數(shù)：open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ,net_tx_action);--注冊(cè)softirqopen_softirq(NET_RX_SOFTIRQ,net_rx_action);--觸發(fā)softirq

taskletyesYESNO可有可無，取決于調(diào)用時(shí)機(jī)中1）一個(gè)類型的tasklet只能執(zhí)行在單個(gè)CPU；不能并行，只能串行執(zhí)行。

2）多個(gè)不同類型的tasklet可以并行在多個(gè)CPU上。

YES考慮因素：?jiǎn)蜟PU；不可睡眠，不可阻塞;動(dòng)態(tài)分配；系統(tǒng)開銷相對(duì)小；設(shè)計(jì)難度??；適合執(zhí)行頻率低，連續(xù)性要求低的情況下；性能中；應(yīng)用：TP,鍵盤，鼠標(biāo)。大部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)都使用它。下半部機(jī)制工作隊(duì)列YESNOYESYES低1）每個(gè)工作隊(duì)列(僅限于MT)都會(huì)在每一個(gè)cpu上創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)核線程。2）一個(gè)工作隊(duì)列可以在不同CPU上同時(shí)運(yùn)行。YES考慮因素：多CPU;可睡眠，可阻塞；動(dòng)態(tài)創(chuàng)建；系統(tǒng)開銷大；設(shè)計(jì)難度?。贿m合執(zhí)行頻率低，連續(xù)性要求低的情況下；需要考慮使用進(jìn)程上下文的情況（信號(hào)，消息，內(nèi)存申請(qǐng)等）；性能低；應(yīng)用：LED燈光控制；

內(nèi)核定時(shí)器noyesNOno較低同

軟中斷,實(shí)際上是一個(gè)軟中斷種類:TIMER_SOFTIRQ

yes考慮因素：需要在某段時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的情況下使用；只執(zhí)行一次；應(yīng)用：軟件定時(shí)器在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中被大量應(yīng)用以檢測(cè)設(shè)備的狀態(tài)。

觸屏中斷檢測(cè)防抖動(dòng)功能；init_timer（）Add_timer();Mod_timer();….

并發(fā)控制機(jī)制匯總From網(wǎng)絡(luò)并發(fā)控制機(jī)制匯總補(bǔ)充：1.順序鎖（seqlock）,RCU,也稱為

多核情況下，linux的無鎖編程算法）2.各種鎖，互斥量的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)都是依靠原子操作完成。

semaphore又是在spinlock基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。3.Mutex比較semaphoreLinux驅(qū)動(dòng)IO機(jī)制匯總序列概念描述通知方式"實(shí)現(xiàn)方式應(yīng)用層次應(yīng)用實(shí)例1阻塞：是指進(jìn)程在執(zhí)行設(shè)備操作時(shí)，若不能獲得資源，則掛起進(jìn)程直到滿足可操作的條件后再進(jìn)行操作。注意：被掛起的進(jìn)程會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，它將被從調(diào)度器的運(yùn)行隊(duì)列移走?？梢杂善渌绦騺韱拘驯蛔枞年?duì)列。Wait_event(&waiter)等待隊(duì)列內(nèi)核充電線程內(nèi);lcd刷屏；…..2異步通知：由設(shè)備通知進(jìn)程可以訪問，實(shí)現(xiàn)異步的IO。有點(diǎn)類似阻塞IO。適當(dāng)?shù)臅r(shí)候驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用kill_fasync()函數(shù)，使用信號(hào)SIGIO通知應(yīng)用程序，設(shè)備準(zhǔn)備就緒，可以執(zhí)行IO操作了。file_operations結(jié)構(gòu)體中實(shí)現(xiàn):Fasync_struct結(jié)構(gòu)體內(nèi)核+應(yīng)用配合ccci；Audiodriver;3非阻塞IO:當(dāng)進(jìn)程在不能進(jìn)行設(shè)備操作時(shí)，并不掛起，它或者放棄，或者不停的查詢，直到可以進(jìn)行操作為止。應(yīng)用自己決定什么時(shí)候放棄；POLL，Epoll，select，內(nèi)核+應(yīng)用層；應(yīng)用層;Mtklog;Logdump應(yīng)用;4異步IO(AIO):也叫做異步I/O(AIO)，用戶程序可以通過向內(nèi)核發(fā)出I/O請(qǐng)求命令，不用等帶I/O事件真正發(fā)生，可以繼續(xù)做另外的事情，等I/O操作完成，通知方式：內(nèi)核會(huì)通過函數(shù)回調(diào)或者信號(hào)機(jī)制通知用戶進(jìn)程。這樣很大程度提高了系統(tǒng)吞吐量。

1）Vs非阻塞IO：非阻塞IO中，如果設(shè)備資源不可用，則驅(qū)動(dòng)程序返回EAGAIN，應(yīng)用程序需要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行重試，直到資源可用，IO請(qǐng)求成功執(zhí)行。而使用異步IO時(shí)，如果設(shè)備資源不可用，IO請(qǐng)求會(huì)排隊(duì)等待處理，驅(qū)動(dòng)程序返回EIOCBQUEUED，應(yīng)用程序不需要進(jìn)行重試。

2）VS異步通知共同點(diǎn)：這兩種機(jī)制都有這樣一共通點(diǎn)：都可以在驅(qū)動(dòng)層使用信號(hào)來通知應(yīng)用層的程序做相應(yīng)的I/O操作。在AIO中，可以使用信號(hào)和回調(diào)函數(shù)是實(shí)現(xiàn)內(nèi)核空間對(duì)用戶空間應(yīng)用程序通知的兩種機(jī)制。

差異點(diǎn)：與異步通知相比較，異步通知強(qiáng)調(diào)的是設(shè)備就緒后，驅(qū)動(dòng)程序主動(dòng)通知應(yīng)用程序。強(qiáng)調(diào)的是應(yīng)用程序處于被動(dòng)的一面。AIO強(qiáng)調(diào)的多次操作后查詢結(jié)果。概念本身有交疊的地方?？梢允褂眯盘?hào)和回調(diào)函數(shù)是實(shí)現(xiàn)內(nèi)核空間對(duì)用戶空間應(yīng)用程序通知file_operations結(jié)構(gòu)體中實(shí)現(xiàn):

aio_read（）aio_write()等等

加上GNUC庫支持內(nèi)核+應(yīng)用配合mtk的xlogFAQ1。linux內(nèi)核打印"BUG:schedulingwhileatomic"和"bad:schedulingfromtheidlethread"錯(cuò)誤的時(shí)候，通常是在中斷處理函數(shù)中調(diào)用了可以休眠的函數(shù)，如semaphore,mutex,sleep之類的可休眠的函數(shù)，而linux內(nèi)核要求在中斷處理的時(shí)候，不允許系統(tǒng)高度，不允許搶占，要等到中斷處理完成才能做其他事情。因此，要充分考慮中斷處理的時(shí)間，一定不能太久Internalerror:Oops-BUG:0[#1]PREEMPTSMPARM原因就是mutextlock時(shí)間太長，導(dǎo)致的。例如：[154.941700]-([154.942751]-(0)[43:kworker/u:1][<c03c8e5c>](aee_wdt_irq_info+0x0/0x154)from[<c03c9070>](aee_wdt_fiq_info+0xc0/0xd0)[154.944090]-(0)[43:kworker/u:1]r9:c08f5fc0r8:00000096r7:00000000r6:00000000r4:00000000[154.945139]-(0)[43:kworker/u:1][<c0653688>](mutex_lock_nested+0x0/0x568)from[<c044d940>](synaptics_rmi4_i2c_read+0x60/0x290)[154.946582]-(0)[43:kworker/u:1][<c044e5bc>](synaptics_rmi4_sensor_wake+0x0/0x98)from[<c044e890>](synaptics_rmi4_resume+0x30/0xe0)[154.949603]-(0)[43:kworker/u:1]r6:00000000r5:c080365cr4:c092af20[154.950390]-(0)[43:kworker/u:1][<c044e860>](synaptics_rmi4_resume+0x0/0xe0)from[<c00b76d8>](late_resume+0x184/0x1b8)[154.951740]-(0)[43:kworker/u:1]r7:0000000br6:c0982198r5:c09ddec0r4:c092af20/u:1][<c00b7554>](late_resume+0x0/0x1b8)from[<c006af38>](process_one_work+0x1bc/0x58c)[154.953969]-(0)[43:kworker/u:1][<c006ad7c>](process_one_work+0x0/0x58c)from[<c006b494>](worker_thread+0x18c/0x3d8)[跟蹤到這里：mutex_lock(&(rmi4_data->rmi4_io_ctrl_mutex));觸發(fā)內(nèi)核異常//oldsize=4096nowchangeto2048

gprDMABuf_va=(u8*)dma_alloc_coherent(NULL,4096,&gprDMABuf_pa,GFP_KERNEL);

if(!gprDMABuf_va){printk("[Error]AllocateDMAI2CBufferfailed!\n");

}發(fā)現(xiàn)這個(gè)rmi4_io_ctrl_mutex的數(shù)值

前后不一致，說明或者傳入有問題，或者取數(shù)據(jù)時(shí)候有問題。首先私有數(shù)據(jù)rmi4_data與dev的綁定：FAQstaticintsynaptics_rmi4_set_input_dev(structsynaptics_rmi4_data*rmi4_data){intretval;inttemp;rmi4_data->input_dev=input_allocate_device();……………..input_set_drvdata(rmi4_data->input_dev,rmi4_data);是一個(gè)input設(shè)備類型}

staticintsynaptics_rmi4_resume(structdevice*dev){intretval;structsynaptics_rmi4_exp_fhandler*exp_fhandler;//structsynaptics_rmi4_data*rmi4_data=dev_get_drvdata(dev);----不能這樣取數(shù)據(jù)修改為://modifedbyjetinhuaqin,fordataerror.exeple:mutexdataerror,willcausesystemdeadlockstructinput_dev*input_raw=to_input_dev(dev);structsynaptics_rmi4_data*rmi4_data=input_get_drvdata(input_raw);4.工作隊(duì)列中能否使用等待隊(duì)列？？？FAQstaticintsynaptics_rmi4_set_input_dev(structsynaptics_rmi4_data*rmi4_data){intretval;inttemp;rmi4_data->input_dev=input_allocate_device();……………..input_set_drvdata(rmi4_data->input_dev,rmi4_data);是一個(gè)input設(shè)備類型}

staticintsynaptics_rmi4_resume(structdevice*dev){intretval;structsynaptics_rmi4_exp_fhandler*exp_fhandler;//structsynaptics_rmi4_data*rmi4_data=dev_get_drvdata(dev);----不能這樣取數(shù)據(jù)修改為://modifedbyjetinhuaqin,fordataerror.exeple:mutexdataerror,willcausesystemdeadlockstructinput_dev*input_raw=to_input_dev(dev);structsynaptics_rmi4_data*rmi4_data=input_get_drvdata(input_raw);4.工作隊(duì)列中能否使用等待隊(duì)列？？？FAQstaticvoid

hwmsen_work_func(structwork_struct*work){。。。。。。。。。。。。。#ifdefHQ_SENSORif((isCameraActive==1)&&((idx==ID_MOTION)||(idx==ID_LIGHT)||(idx==ID_PROXIMITY)||(idx==ID_FACE_DETECT))){HWM_ERR("donotreaddatafromsensor(%d)\n",idx);HWM_ERR("cameraisACTIVE,setthethreadintoWAITstatus\n");wait_event_interruptible(hi164_wq,(hi164_wq_flag==KAL_FALSE));//restarthi164toothermode5.軟中斷回調(diào)里面之后加mutexordeley等

會(huì)報(bào)出異常：比如內(nèi)核定時(shí)器里面使用mutex。：：軟中斷跑在swapper線程的內(nèi)核?？臻g：【c08bf890：c00119c4】]Backtrace:[52.113934](0)[0:swapper/0][<c00119c4>]save_stack_trace_tsk+0x0/0x98[52.113946](0)[0:swapper/0][<c03c7fc4>]aee_get_traces+0x60/0xc0[52.113957](0)[0:swapper/0][<c03c80b8>]aee_kernel_warning_api+0x94/0xe0[52.113970](0)[0:swapper