Linux驱动多线程支持指南

在Linux驱动中支持多线程需要考虑并发控制、数据同步和资源管理等问题。以下是实现多线程支持的关键要点：

1. 基本概念

• Linux内核本身就是多线程的，多个进程/线程可以同时访问驱动
• 驱动需要保证在多线程环境下的安全性和正确性

2. 并发控制机制

互斥锁 (mutex)

#include <linux/mutex.h>

// 定义
static DEFINE_MUTEX(my_mutex);

// 使用
mutex_lock(&my_mutex);
// 临界区代码
mutex_unlock(&my_mutex);

自旋锁 (spinlock)

#include <linux/spinlock.h>

// 定义
static spinlock_t my_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;

// 使用
spin_lock(&my_lock);
// 临界区代码
spin_unlock(&my_lock);

读写锁 (rwlock)

#include <linux/rwlock.h>

// 定义
static rwlock_t my_rwlock = RW_LOCK_UNLOCKED;

// 读锁定
read_lock(&my_rwlock);
// 读操作
read_unlock(&my_rwlock);

// 写锁定
write_lock(&my_rwlock);
// 写操作
write_unlock(&my_rwlock);

3. 原子操作

#include <linux/atomic.h>

atomic_t counter = ATOMIC_INIT(0);

atomic_inc(&counter);  // 原子增加
atomic_dec(&counter);  // 原子减少

4. 内核线程

创建内核线程来处理后台任务：

#include <linux/kthread.h>

static struct task_struct *my_thread;

static int my_thread_func(void *data)
{
    while (!kthread_should_stop()) {
        // 线程工作代码
        msleep(1000);  // 休眠1秒
    }
    return 0;
}

// 启动线程
my_thread = kthread_run(my_thread_func, NULL, "my_thread");

// 停止线程
kthread_stop(my_thread);

5. 工作队列

对于延迟执行的任务，可以使用工作队列：

#include <linux/workqueue.h>

static struct workqueue_struct *my_wq;
static DECLARE_WORK(my_work, my_work_func);

static void my_work_func(struct work_struct *work)
{
    // 工作处理代码
}

// 初始化
my_wq = create_workqueue("my_workqueue");

// 调度工作
queue_work(my_wq, &my_work);

// 清理
destroy_workqueue(my_wq);

6. 多线程设计考虑

1. 避免全局变量：尽可能使用局部变量或每个线程独立的数据结构
2. 锁粒度：锁的范围要尽可能小，避免长时间持有锁
3. 死锁预防：避免嵌套锁，保持一致的锁获取顺序
4. 性能考虑：读写锁在读多写少场景更高效
5. 内存屏障：在多核系统上可能需要内存屏障保证数据一致性

7. 示例：多线程安全驱动

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/slab.h>

#define DEVICE_NAME "mthread_dev"

static DEFINE_MUTEX(dev_mutex);
static int open_count = 0;
static char *buffer = NULL;

static int dev_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    mutex_lock(&dev_mutex);
    if (open_count++) {
        mutex_unlock(&dev_mutex);
        return -EBUSY;
    }

    buffer = kmalloc(1024, GFP_KERNEL);
    if (!buffer) {
        open_count--;
        mutex_unlock(&dev_mutex);
        return -ENOMEM;
    }

    mutex_unlock(&dev_mutex);
    return 0;
}

static int dev_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
    mutex_lock(&dev_mutex);
    if (--open_count == 0) {
        kfree(buffer);
        buffer = NULL;
    }
    mutex_unlock(&dev_mutex);
    return 0;
}

static struct file_operations fops = {
    .open = dev_open,
    .release = dev_release,
    // 其他操作...
};

static int __init dev_init(void)
{
    // 注册设备...
    return 0;
}

static void __exit dev_exit(void)
{
    // 注销设备...
}

module_init(dev_init);
module_exit(dev_exit);

通过合理使用这些同步机制和设计模式，可以确保Linux驱动在多线程环境下的正确性和性能。