02-原子变量应用示例

 本系列文章主要讲述内核中的互斥与同步操作，主要包括内核中的锁机制，信号量和互斥体，讲述了基础概念和常用的API函数接口和代码示例，详细目录如下：
 01 - 内核中的互斥与同步概述
 02 - 原子变量应用示例
 03 - 自旋锁应用示例
 04 - 信号量的应用示例
 05 - 互斥量的应用示例

 本实例使用原子变量实现了一个应用程序只能打开一个设备的目的，在init函数中初始化原子变量的值为1，每次打开设备将原子变量的值减1。
 在open函数中对原子变量的值进行判断，如果原子变量的值等于0表示只有一个应用程序打开了设备，可以进行其他操作，如果原理变量的值小于0，那么表示此时有应用程序正在使用设备，返回一个错误码EBUSY，并将原子变量的值+1（目的是当正在打开设备的应用程序关闭时，原子变量的值还能恢复到初始值1）。
 具体的代码部分如下所示，文章最后将测试结果附上，并对其进行了解释，详情请参考示例代码。

1 示例代码

1.1 demo.c

 驱动部分的代码，主要包含了原子变量的实现和判断，init、open和release函数的实现，具体内容在代码中进行注释。

#include <linux/module.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/atomic.h>

dev_t dev_no;
char devname[] = "demo_chrdev";
char classname[] = "demo_class";
struct cdev demo_cdev;
struct class *cls;
struct device *dev;
atomic_t atomic_v;		// 定义一个原子变量，在init函数中初始化

static int demo_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	/*
		每次打开设备原子变量自减1，atomic_dec_and_test结果为0返回true
	*/
	if ( !atomic_dec_and_test(&atomic_v) )
	{
		printk("device busy.\n");
		atomic_inc(&atomic_v);
		goto err0;
	}

	printk("%s -- %d.\n", __FUNCTION__, __LINE__);
	
	return 0;

err0:
	return -EBUSY;	/* Device or resource busy */
}

static int demo_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	printk("%s -- %d.\n", __FUNCTION__, __LINE__);

	atomic_inc(&atomic_v);	// 关闭设备后，原子变量值+1，其他程序可以访问

	return 0;
}

struct file_operations demo_ops = {
	.open = demo_open,
	.release=  demo_release,
};

static int __init demo_init(void)
{
	int ret;

	printk("%s -- %d.\n", __FUNCTION__, __LINE__);

	atomic_set(&atomic_v, 1) ;		// 原子变量初始化为1
	
	ret = alloc_chrdev_region(&dev_no, 0, 0, devname);
	if (ret)
	{
		printk("alloc_chrdev_region failed.\n");
		goto region_err;
	}

	cdev_init(&demo_cdev, &demo_ops);

	ret = cdev_add(&demo_cdev, dev_no, 1);
	if (ret < 0)
	{
		printk("cdev_add failed.\n");
		goto add_err;
	}

	cls = class_create(THIS_MODULE, classname);		/* /sys/class/.. */
	if ( IS_ERR(cls) )
	{
		ret = PTR_ERR(cls);
		printk("class_create failed.\n");
		goto cls_err;
	}

	dev = device_create(cls, NULL, dev_no, NULL, "chrdev%d", 0);	/* /dev/.. */
	if ( IS_ERR(dev) )
	{
		ret = PTR_ERR(dev);
		printk("device_create failed.\n");
		goto dev_err;
	}
	
	return 0;

dev_err:
	class_destroy(cls);
cls_err:
	cdev_del(&demo_cdev);	
add_err:
	unregister_chrdev_region(dev_no, 1);
region_err:
	return ret;
}


static void __exit demo_exit(void)
{
	printk("%s -- %d.\n", __FUNCTION__, __LINE__);

	device_destroy(cls, dev_no);
	class_destroy(cls);
	cdev_del(&demo_cdev);
	unregister_chrdev_region(dev_no, 1);
}


module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

1.2 test.c

 示例的应用层测试代码，包含了设备的打开和关闭函数，在打开和关闭之间延时5秒钟，方便测试第二个应用程序打开设备的结果。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
	int fd;

	fd = open("/dev/chrdev0", O_RDWR, 0666);
	if (fd < 0)
	{
		perror("open");
		return -1;
	}

	sleep(5);

	close(fd);

	return 0;
}

1.3 Makefile

KERNELDIR ?= /home/linux/ti-processor-sdk-linux-am335x-evm-04.00.00.04/board-support/linux-4.9.28/
PWD := $(shell pwd)

all:
	make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
	arm-linux-gnueabihf-gcc test.c -o app
install:
	sudo cp *.ko  app /tftpboot
clean:
	make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) clean
	rm app

obj-m += demo.o

1.4 测试结果

 示例的测试结果，结果详细分析过程标注在结果后面。

root@am335x-evm:~# insmod demo.ko		 		// 加载模块
[   53.871028] demo_init -- 53.
root@am335x-evm:~# ./app &						// 后台运行
[1] 903
[   61.966737] demo_open -- 27.					// 第一次成功打开
root@am335x-evm:~# ./app  						// 在上一个运行期间，再运行一次
[   64.006403] device busy.						// 内核打印的信息，连着打开两次，出现device busy
[   66.970339] open: Device or resource busy	// 应用层打印的信息
root@am335x-evm:~#  demo_release -- 37.			// 5秒之后，第一次打开的设备关闭
root@am335x-evm:~# ./app						// 再次打开，可以成功打开
[   71.853160] demo_open -- 27.
[   76.856765] demo_release -- 37.				// 5秒之后关闭
root@am335x-evm:~# rmmod demo.ko 				// 卸载模块
[   86.067955] demo_exit -- 104.