Linux 系統是個多任務操作系統，會存在多個任務同時訪問同一片內存區域，這些任務可能會相互覆蓋這段內存中的數據，造成內存數據混亂。針對這個問題必須要做處理，嚴重的話可能會導致系統崩潰。
Linux 系統併發產生的主要原因：
- 多線程併發訪問，Linux 是多任務(線程)的系統，所以多線程訪問是最基本的原因。
- 搶佔式併發訪問，從 2.6 版本內核開始，Linux 內核支持搶佔，也就是說調度程序可以在任意時刻搶佔正在運行的線程，從而運行其他的線程。
- 中斷程序併發訪問，硬件中斷。
- SMP(多核)核間併發訪問，現在 ARM 架構的多核 SOC 很常見，多核 CPU 存在覈間併發訪問。
併發訪問帶來的問題就是競爭，操作系統有道臨界區這個概念，所謂的臨界區就是共享數據段，對於臨界區必須保證一次只有一個線程訪問，也就是要保證臨界區是原子訪問。多個線程同時操作臨界區就表示存在競爭。
1、原子操作
- 原子操作是指不會被線程調度機制打斷的操作，獨立不可分割的操作。
- 原子操作一旦開始，就一直運行到結束。
- 原子操作可以是一個步驟，也可以是多個操作步驟，但是其順序不可以被打亂，也不可以被切割而只執行其中的一部分。
如圖，使用原子操作後就能將 三行彙編指令作爲一個整體運行，不被打斷。
原子操作 API 函數：
| 函數 | 描述 |
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ATOMIC_INIT(int i)
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定義原子變量的時候對其初始化
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int atomic_read(atomic_t *v)
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讀取 v 的值，並且返回
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void atomic_set(atomic_t *v, int i)
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向 v 寫入 i 值
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void atomic_add(int i, atomic_t *v)
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給 v 加上 i 值
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void atomic_sub(int i, atomic_t *v)
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從 v 減去 i 值
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void atomic_inc(atomic_t *v)
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給 v 加 1，也就是自增
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void atomic_dec(atomic_t *v)
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從 v 減 1，也就是自減
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int atomic_dec_return(atomic_t *v)
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從 v 減 1，並且返回 v 的值
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int atomic_inc_return(atomic_t *v)
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給 v 加 1，並且返回 v 的值
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int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v)
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從 v 減 i，如果結果爲 0 就返回真，否則返回假
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int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)
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從 v 減 1，如果結果爲 0 就返回真，否則返回假
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int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)
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給 v 加 1，如果結果爲 0 就返回真，否則返回假
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int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v)
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給 v 加 i，如果結果爲負就返回真，否則返回假
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原子位操作 API 函數 ：
| 函數 | 描述 |
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void set_bit(int nr, void *p)
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將 p 地址的第 nr 位置 1
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void clear_bit(int nr,void *p)
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將 p 地址的第 nr 位清零
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void change_bit(int nr, void *p)
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將 p 地址的第 nr 位進行翻轉
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int test_bit(int nr, void *p)
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獲取 p 地址的第 nr 位的值
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int test_and_set_bit(int nr, void *p)
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將 p 地址的第 nr 位置 1，並且返回 nr 位原來的值
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int test_and_clear_bit(int nr, void *p)
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將 p 地址的第 nr 位清零，並且返回 nr 位原來的值
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int test_and_change_bit(int nr, void *p)
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將 p 地址的第 nr 位翻轉，並且返回 nr 位原來的值
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2、自旋鎖
- 當一個線程要訪問某個共享資源的時候首先要先獲取相應的鎖，鎖只能被一個線程持有，只要此線程不釋放持有的鎖，那麼其他的線程就不能獲取此鎖。
- 中斷裏面可以使用自旋鎖，但是在中斷裏面使用自旋鎖的時候，在獲取鎖之前一定要先禁止本地中斷(即本 CPU 中斷，對於多核 SOC 來說會有多個 CPU 核)，否則可能導致鎖死現象的發生。
- 缺點：等待自旋鎖的線程會一直處於自旋狀態，浪費處理器時間，降低系統性能，所以自旋鎖的持有時間不能太長。
- 自旋鎖適用於短時期的輕量級加鎖，如果臨界區比較大，運行時間比較長的話要選擇其他的併發處理方式，比如信號量和互斥體。
- 自旋鎖保護的臨界區內不能調用任何可能導致線程休眠的 API 函數，否則的話可能導致死鎖。
- 不能遞歸申請自旋鎖，因爲一旦通過遞歸的方式申請一個你正在持有的鎖，那麼你就必須“自旋”，等待鎖被釋放，然而你正處於“自旋”狀態，根本沒法釋放鎖。
自旋鎖 API 函數：
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DEFINE_SPINLOCK(spinlock_t lock)
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定義並初始化一個自選變量
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int spin_lock_init(spinlock_t *lock)
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初始化自旋鎖
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void spin_lock(spinlock_t *lock)
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獲取指定的自旋鎖，加鎖
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void spin_unlock(spinlock_t *lock)
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釋放指定的自旋鎖
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int spin_trylock(spinlock_t *lock)
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嘗試獲取指定的自旋鎖，如果沒有獲取到就返回 0
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int spin_is_locked(spinlock_t *lock)
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檢查指定的自旋鎖是否被獲取，沒有被獲取就返回非 0，否則返回 0
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適用於SMP或支持搶佔的單CPU下線程之間的併發訪問，也就是用於線程與線程之間，被自旋鎖保護的臨界區一定不能調用任何能夠引起睡眠和阻塞的 API 函數，否則的話會可能會導致死鎖現象的發生。
中斷自旋鎖 API 函數：
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void spin_lock_irq(spinlock_t *lock)
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禁止本地中斷，並獲取自旋鎖
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void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock)
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激活本地中斷，並釋放自旋鎖
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void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags)
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保存中斷狀態，禁止本地中斷，並獲取自旋鎖
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void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags)
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將中斷狀態恢復到以前的狀態，並且激活本地中斷，釋放自旋鎖
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一般在線程中使用 spin_lock_irqsave/ spin_unlock_irqrestore，在中斷中使用 spin_lock/spin_unlock 。
下半部（BH）自旋鎖 API 函數：
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void spin_lock_bh(spinlock_t *lock)
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關閉下半部，並獲取自旋鎖
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void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock)
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打開下半部，並釋放自旋鎖
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3、信號量
特點：
- 信號量可以使等待資源線程進入休眠狀態，因此適用於那些佔用資源比較久的場合。
- 信號量不能用於中斷中，因爲信號量會引起休眠，中斷不能休眠。
- 共享資源的持有時間比較短時不適合使用信號量，因爲頻繁的休眠、切換線程引起的開銷要遠大於信號量帶來的優勢。
信號量 API 函數：
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DEFINE_SEAMPHORE(name)
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定義一個信號量，並且設置信號量的值爲 1
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void sema_init(struct semaphore *sem, int val)
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初始化信號量 sem，設置信號量值爲 val
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void down(struct semaphore *sem)
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獲取信號量，因爲會導致休眠，因此不能在中斷中使用
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int down_trylock(struct semaphore *sem)
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嘗試獲取信號量，如果能獲取到信號量就獲取，並且返回 0。如果不能就返回非 0，並且不會進入休眠
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int down_interruptible(struct semaphore *sem)
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獲取信號量，和 down 類似，只是使用 down 進入休眠狀態的線程不能被信號打斷。而使用此 函數進入休眠以後是可以被信號打斷的
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void up(struct semaphore *sem)
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釋放信號量
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4、互斥體（mutex）
注意：
- mutex 可以導致休眠，因此不能在中斷中使用 mutex，中斷中只能使用自旋鎖。
- 和信號量一樣，mutex 保護的臨界區可以調用引起阻塞的 API 函數。
- 因爲一次只有一個線程可以持有 mutex，因此，必須由 mutex 的持有者釋放 mutex。並且 mutex 不能遞歸上鎖和解鎖。
互斥體API 函數：
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DEFINE_MUTEX(name)
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定義並初始化一個 mutex 變量
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void mutex_init(mutex *lock)
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初始化 mutex
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void mutex_lock(struct mutex *lock)
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獲取 mutex，也就是給 mutex 上鎖。如果獲取不到就進休眠
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void mutex_unlock(struct mutex *lock)
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釋放 mutex，也就給 mutex 解鎖
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int mutex_trylock(struct mutex *lock)
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嘗試獲取 mutex，成功返回 1，失敗返回 0
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int mutex_is_locked(struct mutex *lock)
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判斷 mutex 是否被獲取，是就返回1，否則返回 0
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int mutex_lock_interruptible(struct mutex *lock)
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使用此函數獲取信號量失敗進入休眠以後可以被信號打斷
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