Linux 設備驅動開發：競態條件、阻塞 I/O 與可重入代碼實戰

一、競態條件的成因與解決

當兩個進程同時打開同一設備進行寫操作時，若無同步機制，會導致對共享數據結構（如設備鏈表）的並發修改，造成數據覆蓋錯誤，這就是競態條件。在單處理器系統上，內核代碼非搶佔，故不會發生；但在多處理器系統中極易出現。

Linux 提供兩種主要同步手段：

1. 信號量 —— 互斥訪問，適用於可能睡眠的場景

#include <linux/semaphore.h>
struct semaphore sem;
sema_init(&sem, 1); // 初始化為 1，表示可用

if (down_interruptible(&sem)) return -ERESTARTSYS; // 獲取失敗返回
// 臨界區操作...
up(&sem); // 釋放並喚醒等待進程

注意：信號量會導致進程睡眠，故不能在中斷處理程序中使用；且必須確保獲取後一定釋放，否則會造成死鎖。

2. 自旋鎖 —— 忙等待，適用於中斷上下文或極短臨界區

#include <linux/spinlock.h>
spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED; // 或 spin_lock_init(&lock)

spin_lock(&lock); // 獲取鎖，若被佔用則自旋等待
// 臨界區操作（不可睡眠！）
spin_unlock(&lock); // 釋放鎖

自旋鎖持有期間絕對不能睡眠，適用於持鎖時間極短、且不涉及阻塞操作的場景。

二、阻塞與非阻塞 I/O：等待隊列機制

當設備無數據可讀時，阻塞型 I/O 會讓進程睡眠（移出運行隊列），直到數據就緒被喚醒；非阻塞則直接返回錯誤。Linux 驅動中通過等待隊列實現阻塞：

1. 定義並初始化等待隊列頭

wait_queue_head_t my_queue;
init_waitqueue_head(&my_queue);
// 或靜態初始化：DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(my_queue);

2. 進程睡眠與喚醒

• wait_event_interruptible(wq, condition)：可被信號中斷的睡眠，條件滿足則返回 0，被信號中斷返回 -ERESTARTSYS。
• wake_up_interruptible(&wq)：喚醒隊列上所有可中斷睡眠的進程。

3. 避免 interruptible_sleep_on() 的競態缺陷

舊式 interruptible_sleep_on() 在設置進程狀態與調用 schedule() 之間存在窗口，可能導致喚醒信號丟失。推薦使用 wait_event_interruptible() 宏，其內部實現了條件檢查循環，原子性地完成「檢查條件→睡眠→被喚醒後重新檢查」流程，彻底消除該競態。

三、可重入代碼設計原則

可重入函數不使用全局/靜態變量，所有數據存放在棧上或由調用者提供，確保多線程/中斷並發調用時數據隔離。驅動開發中應盡量編寫可重入代碼，減少鎖的使用，提高並發性能。