ARM Linux 驱动开发篇--- Linux 并发与竞争实验（自旋锁实现 LED 设备互斥访问）--- Ubuntu20.04自旋锁实验

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目录

前言

一、实验基础说明

1.1、自旋锁简介

1.2 本次实验设计思路

二、硬件原理分析（看过之前博客的可以忽略）

三、实验程序编写

3.1 自旋锁 LED 驱动代码（spinlock.c）

3.2、驱动代码分段解析

3.2.1、设备结构体定义（28-39 行）

3.2.2、设备打开函数（50-64 行）

3.2.3、设备释放函数（115-128 行）

3.2.4、驱动入口函数（144-207 行）

测试APP编写

 四、运行测试

4.1、编译驱动程序和测试 APP

4.2、运行测试

总结

前言

上一篇博客我们通过原子操作实现了 LED 设备的互斥访问（一次仅允许一个应用使用），本次我们将使用自旋锁完成同样的功能，并深入理解自旋锁的核心使用场景和编程规范。

一、实验基础说明

1.1、自旋锁简介

前面讲的原子操作，只能保护整形变量或位操作，但实际驱动开发中，我们常需要保护设备结构体、共享缓冲区等复杂资源——这时候就需要自旋锁登场了！

自旋锁的核心逻辑很简单，记住两点就行：

锁只能被一个线程持有，只要这个线程不释放锁，其他线程就无法获取。

未获取到锁的线程，不会进入休眠，而是忙循环等待（原地“自旋”），直到锁被释放。

还是用生活例子类比：公用电话亭（共享资源），里面有人正在打电话（持有锁），你到了门口，只能在原地等着（自旋），不能离开，也不能做其他事，直到里面的人打完电话出来（释放锁），你才能进去用。

自旋锁的特点：

忙等待：获取锁失败时，不会主动休眠，而是循环检测锁是否释放（“自旋”），直到获取到锁
低延迟：适合保护极短的临界区（几行代码），避免上下文切换开销
不可休眠：持有自旋锁期间，禁止进程休眠（否则会导致死锁）

1.2 本次实验设计思路

自旋锁保护的临界区必须尽可能短，因此不能在 open 函数中加锁、release 中解锁（会导致临界区过长）。我们采用 “状态变量 + 自旋锁” 的方案：
1、定义dev_stats变量标记设备状态：0= 空闲，>0= 被占用
2、用自旋锁保护dev_stats的读写操作（这是真正的临界区）
3、open 函数：自旋锁保护下检查dev_stats，空闲则置为占用
4、release 函数：自旋锁保护下将dev_stats减 1，释放设备

实验在此次博客基础上实现：

ARM Linux 驱动开发篇--- Linux 并发与竞争实验（原子操作）--- Ubuntu20.04-ZEEKLOG博客

二、硬件原理分析（看过之前博客的可以忽略）

从图中可以看出，LED0 接到了 GPIO_3 上，GPIO_3 就是 GPIO1_IO03，当 GPIO1_IO03 输出低电平 (0) 的时候发光二极管 LED0 就会导通点亮，当 GPIO1_IO03 输出高电平 (1) 的时候发光二极管 LED0 不会导通，因此 LED0 也就不会点亮。所以 LED0 的亮灭取决于 GPIO1_IO03 的输出电平，输出 0 就亮，输出 1 就灭。

三、实验程序编写

本次实验基于上一节原子操作的 LED 驱动修改，仅替换同步机制为自旋锁，硬件和设备树无需修改。把atomic.c文件改成spinlock.c 文件。

3.1 自旋锁 LED 驱动代码（spinlock.c）

 1 #include <linux/types.h> 2 #include <linux/kernel.h> 3 #include <linux/delay.h> 4 #include <linux/ide.h> 5 #include <linux/init.h> 6 #include <linux/module.h> 7 #include <linux/errno.h> 8 #include <linux/gpio.h> 9 #include <linux/cdev.h> 10 #include <linux/device.h> 11 #include <linux/of.h> 12 #include <linux/of_address.h> 13 #include <linux/of_gpio.h> 14 #include <asm/mach/map.h> 15 #include <asm/uaccess.h> 16 #include <asm/io.h> 17 /*************************************************************** 18 描述 : 自旋锁实验，使用自旋锁来实现对实现设备的互斥访问 19 其他 : 无 20 ***************************************************************/ 21 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */ 22 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */ 23 #define LEDOFF 0 /* 关灯 */ 24 #define LEDON 1 /* 开灯 */ 25 26 27 /* gpioled设备结构体 */ 28 struct gpioled_dev{ 29 dev_t devid; /* 设备号 */ 30 struct cdev cdev; /* cdev */ 31 struct class *class; /* 类 */ 32 struct device *device; /* 设备 */ 33 int major; /* 主设备号 */ 34 int minor; /* 次设备号 */ 35 struct device_node *nd; /* 设备节点 */ 36 int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */ 37 int dev_stats; /* 设备使用状态，0，设备未使用;>0,设备已经被使用 */ 38 spinlock_t lock; /* 自旋锁 */ 39 }; 40 41 struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 */ 42 43 /* 44 * @description : 打开设备 45 * @param - inode : 传递给驱动的inode 46 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量 47 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。 48 * @return : 0 成功;其他 失败 49 */ 50 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp) 51 { 52 unsigned long flags; 53 filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */ 54 55 spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags); /* 上锁 */ 56 if (gpioled.dev_stats) { /* 如果设备被使用了 */ 57 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */ 58 return -EBUSY; 59 } 60 gpioled.dev_stats++; /* 如果设备没有打开，那么就标记已经打开了 */ 61 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */ 62 63 return 0; 64 } 65 66 /* 67 * @description : 从设备读取数据 68 * @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符) 69 * @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区 70 * @param - cnt : 要读取的数据长度 71 * @param - offt : 相对于文件首地址的偏移 72 * @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败 73 */ 74 static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) 75 { 76 return 0; 77 } 78 79 /* 80 * @description : 向设备写数据 81 * @param - filp : 设备文件，表示打开的文件描述符 82 * @param - buf : 要写给设备写入的数据 83 * @param - cnt : 要写入的数据长度 84 * @param - offt : 相对于文件首地址的偏移 85 * @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败 86 */ 87 static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) 88 { 89 int retvalue; 90 unsigned char databuf[1]; 91 unsigned char ledstat; 92 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data; 93 94 retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt); 95 if(retvalue < 0) { 96 printk("kernel write failed!\r\n"); 97 return -EFAULT; 98 } 99 100 ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */ 101 102 if(ledstat == LEDON) { 103 gpio_set_value(dev->led_gpio, 0); /* 打开LED灯 */ 104 } else if(ledstat == LEDOFF) { 105 gpio_set_value(dev->led_gpio, 1); /* 关闭LED灯 */ 106 } 107 return 0; 108 } 109 110 /* 111 * @description : 关闭/释放设备 112 * @param - filp : 要关闭的设备文件(文件描述符) 113 * @return : 0 成功;其他 失败 114 */ 115 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp) 116 { 117 unsigned long flags; 118 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data; 119 120 /* 关闭驱动文件的时候将dev_stats减1 */ 121 spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags); /* 上锁 */ 122 if (dev->dev_stats) { 123 dev->dev_stats--; 124 } 125 spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);/* 解锁 */ 126 127 return 0; 128 } 129 130 /* 设备操作函数 */ 131 static struct file_operations gpioled_fops = { 132 .owner = THIS_MODULE, 133 .open = led_open, 134 .read = led_read, 135 .write = led_write, 136 .release = led_release, 137 }; 138 139 /* 140 * @description : 驱动入口函数 141 * @param : 无 142 * @return : 无 143 */ 144 static int __init led_init(void) 145 { 146 int ret = 0; 147 148 /* 初始化自旋锁 */ 149 spin_lock_init(&gpioled.lock); 150 151 /* 设置LED所使用的GPIO */ 152 /* 1、获取设备节点：gpioled */ 153 gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled"); 154 if(gpioled.nd == NULL) { 155 printk("gpioled node not find!\r\n"); 156 return -EINVAL; 157 } else { 158 printk("gpioled node find!\r\n"); 159 } 160 161 /* 2、 获取设备树中的gpio属性，得到LED所使用的LED编号 */ 162 gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "led-gpio", 0); 163 if(gpioled.led_gpio < 0) { 164 printk("can't get led-gpio"); 165 return -EINVAL; 166 } 167 printk("led-gpio num = %d\r\n", gpioled.led_gpio); 168 169 /* 3、设置GPIO1_IO03为输出，并且输出高电平，默认关闭LED灯 */ 170 ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 1); 171 if(ret < 0) { 172 printk("can't set gpio!\r\n"); 173 } 174 175 /* 注册字符设备驱动 */ 176 /* 1、创建设备号 */ 177 if (gpioled.major) { /* 定义了设备号 */ 178 gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major, 0); 179 register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME); 180 } else { /* 没有定义设备号 */ 181 alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME); /* 申请设备号 */ 182 gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的主设备号 */ 183 gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的次设备号 */ 184 } 185 printk("gpioled major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major, gpioled.minor); 186 187 /* 2、初始化cdev */ 188 gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE; 189 cdev_init(&gpioled.cdev, &gpioled_fops); 190 191 /* 3、添加一个cdev */ 192 cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT); 193 194 /* 4、创建类 */ 195 gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME); 196 if (IS_ERR(gpioled.class)) { 197 return PTR_ERR(gpioled.class); 198 } 199 200 /* 5、创建设备 */ 201 gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL, gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME); 202 if (IS_ERR(gpioled.device)) { 203 return PTR_ERR(gpioled.device); 204 } 205 206 return 0; 207 } 208 209 /* 210 * @description : 驱动出口函数 211 * @param : 无 212 * @return : 无 213 */ 214 static void __exit led_exit(void) 215 { 216 /* 注销字符设备驱动 */ 217 cdev_del(&gpioled.cdev);/* 删除cdev */ 218 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT); /* 注销设备号 */ 219 220 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid); 221 class_destroy(gpioled.class); 222 } 223 224 module_init(led_init); 225 module_exit(led_exit); 226 MODULE_LICENSE("GPL"); 227 MODULE_AUTHOR("duan");

3.2、驱动代码分段解析

3.2.1、设备结构体定义（28-39 行）

28 struct gpioled_dev{ 29 dev_t devid; /* 设备号 */ 30 struct cdev cdev; /* cdev */ 31 struct class *class; /* 类 */ 32 struct device *device; /* 设备 */ 33 int major; /* 主设备号 */ 34 int minor; /* 次设备号 */ 35 struct device_node *nd; /* 设备节点 */ 36 int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */ 37 int dev_stats; /* 设备使用状态，0，设备未使用;>0,设备已经被使用 */ 38 spinlock_t lock; /* 自旋锁 */ 39 };

核心新增字段：
37 行：dev_stats 状态变量，替代原子操作中的原子变量，用于标记设备是否被占用；
38 行：spinlock_t lock 自旋锁变量，专门保护dev_stats的读写操作；
其他字段为字符设备驱动标准字段，负责设备号、GPIO、设备树节点等资源管理。

3.2.2、设备打开函数（50-64 行）

50 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp) 51 { 52 unsigned long flags; 53 filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */ 54 55 spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags); /* 上锁 */ 56 if (gpioled.dev_stats) { /* 如果设备被使用了 */ 57 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */ 58 return -EBUSY; 59 } 60 gpioled.dev_stats++; /* 如果设备没有打开，那么就标记已经打开了 */ 61 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */ 62 63 return 0; 64 }

核心逻辑：
52 行：flags 用于保存中断状态，配合spin_lock_irqsave实现关中断加锁；
55 行：spin_lock_irqsave 上锁（关中断 + 自旋锁），兼顾中断上下文安全性，是嵌入式驱动的最佳实践；
56 行：检查dev_stats，非 0 表示设备已被占用，直接解锁并返回-EBUSY（设备忙）；
60 行：设备空闲时，将dev_stats加 1，标记为占用；
57/61 行：临界区结束立即解锁，严格遵守 “自旋锁临界区最短” 原则。

3.2.3、设备释放函数（115-128 行）

115 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp) 116 { 117 unsigned long flags; 118 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data; 119 120 /* 关闭驱动文件的时候将dev_stats减1 */ 121 spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags); /* 上锁 */ 122 if (dev->dev_stats) { 123 dev->dev_stats--; 124 } 125 spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);/* 解锁 */ 126 127 return 0; 128 }

核心逻辑：
121 行：同样使用spin_lock_irqsave上锁，保护dev_stats的修改；
122-123 行：仅当dev_stats大于 0 时减 1，避免出现负数；
125 行：解锁，恢复中断状态，设备回到空闲状态。

3.2.4、驱动入口函数（144-207 行）

144 static int __init led_init(void) 145 { 146 int ret = 0; 147 148 /* 初始化自旋锁 */ 149 spin_lock_init(&gpioled.lock); 150 151 /* 设置LED所使用的GPIO */ 152 /* 1、获取设备节点：gpioled */ 153 gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled"); 154 if(gpioled.nd == NULL) { 155 printk("gpioled node not find!\r\n"); 156 return -EINVAL; 157 } else { 158 printk("gpioled node find!\r\n"); 159 } // ... 省略GPIO解析和字符设备注册代码 206 return 0; 207 }

核心步骤：
149 行：spin_lock_init 初始化自旋锁，驱动加载时必须执行，否则自旋锁不可用；
153-167 行：标准的设备树 GPIO 解析流程，获取 LED 对应的 GPIO 编号；
170 行：配置 GPIO 为输出模式，默认高电平（灭灯）；
175-204 行：Linux 字符设备驱动标准注册流程（创建设备号→初始化 cdev→创建类 / 设备节点）。

测试APP编写

直接复用原子操作实验的测试程序，仅重命名为spinlockApp.c，核心逻辑：

1. 向 LED 驱动发送亮 / 灭控制指令；
2. 模拟对 LED 设备的长时间占用（25 秒），验证在占用期间其他应用无法打开设备；
3. 占用结束后释放设备，验证其他应用可正常访问。

代码如下：

#include "stdio.h" #include "unistd.h" #include "sys/types.h" #include "sys/stat.h" #include "fcntl.h" #include "stdlib.h" #include "string.h" #define LEDOFF 0 #define LEDON 1 int main(int argc, char *argv[]) { int fd, retvalue; char *filename; unsigned char cnt = 0; unsigned char databuf[1]; if(argc != 3){ printf("Error Usage!\r\n"); return -1; } filename = argv[1]; fd = open(filename, O_RDWR); if(fd < 0){ printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]); return -1; } databuf[0] = atoi(argv[2]); retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf)); if(retvalue < 0){ printf("LED Control Failed!\r\n"); close(fd); return -1; } /* 模拟占用25秒LED */ while(1) { sleep(5); cnt++; printf("App running times:%d\r\n", cnt); if(cnt >= 5) break; } printf("App running finished!\r\n"); retvalue = close(fd); if(retvalue < 0){ printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]); return -1; } return 0; }

 四、运行测试

4.1、编译驱动程序和测试 APP

编写 Makefile 文件，本次实验的 Makefile 文件和之前的led实验基本一样，只是将 obj-m 变量的值改为spinlock.o，Makefile 内容如下所示：

KERNELDIR := /home/duan/linux/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.1_ga_alientek_v2.2 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 

第 4 行，设置 obj-m 变量的值为 spinlock.o。

输入如下命令编译出驱动模块文件：

make -j32

编译成功以后就会生成一个名为“spinlock.ko”的驱动模块文件。

编译测试 APP

输入如下命令编译测试试 spinlockApp.c 这个测试程序：

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

4.2、运行测试

将上一小节编译出来的spinlock.ko 和 spinlockApp这两个文件拷贝到 rootfs/lib/modules/4.1.15 目录中。

sudo cp spinlock.ko /home/duan/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15/ -f

sudo cp spinlockApp /home/duan/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15/ -f

进入到目录 lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载spinlock.ko 驱动模块：

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

驱动加载成功以后会在终端中输出一些信息，如下图所示：

驱动加载成功以后就可以使用 spinlockApp 软件测试驱动是否工作正常，先输入如下命令让 spinlockAPP 软件模拟占用 25S 的 LED 灯：

./spinlockApp /dev/gpioled 1& //打开led

输入上述命令以后观察开发板上的红色 LED 灯是否点亮，然后每隔 5 秒都会输出一行“App

running times ”，如下图 所示：

从上图可以看出，spinlockApp 运行正常，输出了“App running times:1”和“App running

times:2”，这就是模拟 25S 占用，说明 spinlockApp 这个软件正在使用 LED 灯。

紧接着再输入如下命令关闭 LED 灯：

./atomicApp /dev/gpioled 0 //关闭 LED 灯

看一下能不能关闭 LED 灯，驱动正常工作的话并不会马上关闭 LED 灯，会提示你“file/dev/gpioled open failed!”，必须等待第一个 spinlockApp 软件运行完成(25S 计时结束)才可以再次操作 LED 灯。如下图所示：

从上图 可以看出，打开/dev/gpioled 失败！原因是在spinlockApp软件正在占用/dev/gpioled

必须等待图中的spinlockApp运行结束，也就是25S结束以后其他软件才能去操作/dev/gpioled。

如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod beep.ko

总结

本次实验基于 I.MX6ULL 开发板，通过自旋锁实现了 LED 设备的互斥访问，完成了并发与竞争保护机制从原子操作到自旋锁的进阶实践。