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概念

Linux內(nèi)核的信號量在概念和原理上和用戶態(tài)的System V的IPC機(jī)制信號量是相同的，不過他絕不可能在內(nèi)核之外使用，因此他和System V的IPC機(jī)制信號量毫不相干。

如果有一個(gè)任務(wù)想要獲得已經(jīng)被占用的信號量時(shí)，信號量會(huì)將其放入一個(gè)等待隊(duì)列(它不是站在外面癡癡地等待而是將自己的名字寫在任務(wù)隊(duì)列中)然后讓其睡眠。

當(dāng)持有信號量的進(jìn)程將信號釋放后，處于等待隊(duì)列中的一個(gè)任務(wù)將被喚醒(因?yàn)殛?duì)列中可能不止一個(gè)任務(wù))，并讓其獲得信號量。這一點(diǎn)與自旋鎖不同，處理器可以去執(zhí)行其它代碼。

應(yīng)用場景

由于爭用信號量的進(jìn)程在等待鎖重新變?yōu)榭捎脮r(shí)會(huì)睡眠，所以信號量適用于鎖會(huì)被長時(shí)間持有的情況;相反，鎖被短時(shí)間持有時(shí)，使用信號量就不太適宜了，因?yàn)樗?、維護(hù)等待隊(duì)列以及喚醒所花費(fèi)的開銷可能比鎖占用的全部時(shí)間表還要長。

舉2個(gè)生活中的例子：

我們坐火車從南京到新疆需要2天的時(shí)間，這個(gè)'任務(wù)'特別的耗時(shí)，只能坐在車上等著車到站，但是我們沒有必要一直睜著眼睛等，理想的情況就是我們上車就直接睡覺，醒來就到站(看過《異形》的讀者會(huì)深有體會(huì))，這樣從人(用戶)的角度來說，體驗(yàn)是最好的，對比于進(jìn)程，程序在等待一個(gè)耗時(shí)事件的時(shí)候，沒有必須要一直占用CPU，可以暫停當(dāng)前任務(wù)使其進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)?shù)却氖录l(fā)生之后再由其他任務(wù)喚醒，類似于這種場景采用信號量比較合適。

我們有時(shí)候會(huì)等待電梯、洗手間，這種場景需要等待的時(shí)間并不是很多，如果我們還要找個(gè)地方睡一覺，然后等電梯到了或者洗手間可以用了再醒來，那很顯然這也沒有必要，我們只需要排好隊(duì)，刷一刷抖音就可以了，對比于計(jì)算機(jī)程序，比如驅(qū)動(dòng)在進(jìn)入中斷例程，在等待某個(gè)寄存器被置位，這種場景需要等待的時(shí)間往往很短暫，系統(tǒng)開銷甚至遠(yuǎn)小于進(jìn)入休眠的開銷，所以這種場景采用自旋鎖比較合適。

關(guān)于信號量和自旋鎖，以及死鎖問題，我們后面會(huì)再詳細(xì)討論。

使用方法

一個(gè)任務(wù)要想訪問共享資源，首先必須得到信號量，獲取信號量的操作將把信號量的值減1，若當(dāng)前信號量的值為負(fù)數(shù)，表明無法獲得信號量，該任務(wù)必須掛起在 該信號量的等待隊(duì)列等待該信號量可用;若當(dāng)前信號量的值為非負(fù)數(shù)，表示能獲得信號量，因而能即時(shí)訪問被該信號量保護(hù)的共享資源。

當(dāng)任務(wù)訪問完被信號量保護(hù)的共享資源后，必須釋放信號量，釋放信號量通過把信號量的值加1實(shí)現(xiàn)，如果信號量的值為非正數(shù)，表明有任務(wù)等待當(dāng)前信號量，因此他也喚醒所有等待該信號量的任務(wù)。

內(nèi)核信號量的構(gòu)成

內(nèi)核信號量類似于自旋鎖，因?yàn)楫?dāng)鎖關(guān)閉著時(shí)，它不允許內(nèi)核控制路徑繼續(xù)進(jìn)行。然而，當(dāng)內(nèi)核控制路徑試圖獲取內(nèi)核信號量鎖保護(hù)的忙資源時(shí)，相應(yīng)的進(jìn)程就被掛起。只有在資源被釋放時(shí)，進(jìn)程才再次變?yōu)榭蛇\(yùn)行。

只有可以睡眠的函數(shù)才能獲取內(nèi)核信號量;中斷處理程序和可延遲函數(shù)都不能使用內(nèi)核信號量。

內(nèi)核信號量是struct semaphore類型的對象，在內(nèi)核源碼中位于include\linux\semaphore.h文件

struct semaphore{ 
    raw_spinlock_t        lock; 
    unsigned int        count; 
    struct list_head    wait_list; 
} 

信號量的API

初始化

DECLARE_MUTEX(name) 

該宏聲明一個(gè)信號量name并初始化他的值為1，即聲明一個(gè)互斥鎖。

DECLARE_MUTEX_LOCKED(name) 

該宏聲明一個(gè)互斥鎖name，但把他的初始值設(shè)置為0，即鎖在創(chuàng)建時(shí)就處在已鎖狀態(tài)。因此對于這種鎖，一般是先釋放后獲得。

void sema_init (struct semaphore *sem, int val); 

該函用于數(shù)初始化設(shè)置信號量的初值，他設(shè)置信號量sem的值為val。

注意：

val設(shè)置為1說明只有一個(gè)持有者，這種信號量叫二值信號量或者叫互斥信號量。

我們還允許信號量可以有多個(gè)持有者，這種信號量叫計(jì)數(shù)信號量，在初始化時(shí)要說明最多允許有多少個(gè)持有者也可以把信號量中的val初始化為任意的正數(shù)值n，在這種情況下，最多有n個(gè)進(jìn)程可以并發(fā)地訪問這個(gè)資源。

void init_MUTEX (struct semaphore *sem); 

該函數(shù)用于初始化一個(gè)互斥鎖，即他把信號量sem的值設(shè)置為1。

void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem); 

該函數(shù)也用于初始化一個(gè)互斥鎖，但他把信號量sem的值設(shè)置為0，即一開始就處在已鎖狀態(tài)。

PV操作

獲取信號量(P)

void down(struct semaphore * sem); 

該函數(shù)用于獲得信號量sem，他會(huì)導(dǎo)致調(diào)用該函數(shù)的進(jìn)程睡眠，因此不能在中斷上下文(包括IRQ上下文和softirq上下文)使用該函數(shù)。該函數(shù)將把sem的值減1，如果信號量sem的值非負(fù)，就直接返回，否則調(diào)用者將被掛起，直到別的任務(wù)釋放該信號量才能繼續(xù)運(yùn)行。

int down_interruptible(struct semaphore * sem); 

該函數(shù)功能和down類似，不同之處為，down不會(huì)被信號(signal)打斷，但down_interruptible能被信號打斷，因此該函數(shù)有返回值來區(qū)分是正常返回還是被信號中斷，如果返回0，表示獲得信號量正常返回，如果被信號打斷，返回-EINTR。

int down_trylock(struct semaphore * sem); 

該函數(shù)試著獲得信號量sem，如果能夠即時(shí)獲得，他就獲得該信號量并返回0，否則，表示不能獲得信號量sem，返回值為非0值。因此，他不會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，能在中斷上下文使用。

int down_killable(struct semaphore *sem); 
int down_timeout(struct semaphore *sem, long jiffies); 
int down_timeout_interruptible(struct semaphore *sem, long jiffies); 

釋放內(nèi)核信號量(V)

void up(struct semaphore * sem); 

該函數(shù)釋放信號量sem，即把sem的值加1，如果sem的值為非正數(shù)，表明有任務(wù)等待該信號量，因此喚醒這些等待者。

補(bǔ)充

int down_interruptible(struct semaphore *sem) 

這個(gè)函數(shù)的功能就是獲得信號量，如果得不到信號量就睡眠，此時(shí)沒有信號打斷，那么進(jìn)入睡眠。但是在睡眠過程中可能被信號打斷，打斷之后返回-EINTR，主要用來進(jìn)程間的互斥同步。

下面是該函數(shù)的注釋：

/** 
* down_interruptible - acquire the semaphore unless interrupted 
* @sem: the semaphore to be acquired 
* 
* Attempts to acquire the semaphore. If no more tasks are allowed to 
* acquire the semaphore, calling this function will put the task to sleep. 
* If the sleep is interrupted by a signal, this function will return -EINTR. 
* If the semaphore is successfully acquired, this function returns 0. 
*/ 

一個(gè)進(jìn)程在調(diào)用down_interruptible()之后，如果sem<0，那么就進(jìn)入到可中斷的睡眠狀態(tài)并調(diào)度其它進(jìn)程運(yùn)行， 但是一旦該進(jìn)程收到信號，那么就會(huì)從down_interruptible函數(shù)中返回。并標(biāo)記錯(cuò)誤號為:-EINTR。

一個(gè)形象的比喻：傳入的信號量為1好比天亮，如果當(dāng)前信號量為0，進(jìn)程睡眠，直到(信號量為1)天亮才醒，但是可能中途有個(gè)鬧鈴(信號)把你鬧醒。

又如：小強(qiáng)下午放學(xué)回家，回家了就要開始吃飯嘛，這時(shí)就會(huì)有兩種情況：情況一：飯做好了，可以開始吃;情況二：當(dāng)他到廚房去的時(shí)候發(fā)現(xiàn)媽媽還在做， 媽媽就對他說：“你先去睡會(huì)，待會(huì)做好了叫你。” 小強(qiáng)就答應(yīng)去睡會(huì)，不過又說了一句：“睡的這段時(shí)間要是小紅來找我玩，你可以叫醒我。” 小強(qiáng)就是down_interruptible，想吃飯就是獲取信號量，睡覺對應(yīng)這里的休眠，而小紅來找我玩就是中斷休眠。

使用可被中斷的信號量版本的意思是，萬一出現(xiàn)了semaphore的死鎖，還有機(jī)會(huì)用ctrl+c發(fā)出軟中斷，讓等待這個(gè)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)返回的用戶態(tài)進(jìn)程退出。而不是把整個(gè)系統(tǒng)都鎖住了。在休眠時(shí)，能被中斷信號終止，這個(gè)進(jìn)程是可以接受中斷信號的!

比如你在命令行中輸入# sleep 10000，按下ctrl + c，就給上面的進(jìn)程發(fā)送了進(jìn)程終止信號。信號發(fā)送給用戶空間，然后通過系統(tǒng)調(diào)用，會(huì)把這個(gè)信號傳給遞給驅(qū)動(dòng)。信號只能發(fā)送給用戶空間，無權(quán)直接發(fā)送給內(nèi)核的，那1G的內(nèi)核空間，我們是無法直接去操作的。

內(nèi)核信號量的使用例程

場景1

在驅(qū)動(dòng)程序中，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問相同的資源時(shí)(驅(qū)動(dòng)中的全局變量時(shí)一種典型的共享資源)，可能會(huì)引發(fā)“競態(tài)“，因此我們必須對共享資源進(jìn)行并發(fā)控制。Linux內(nèi)核中解決并發(fā)控制的最常用方法是自旋鎖與信號量(絕大多數(shù)時(shí)候作為互斥鎖使用)。

在這里插入圖片描述

場景2

有時(shí)候我們希望設(shè)備只能被一個(gè)進(jìn)程打開，當(dāng)設(shè)備被占用的時(shí)候，其他設(shè)備必須進(jìn)入休眠。

信號處理示意圖

在這里插入圖片描述

如上圖：

1. 進(jìn)程A首先通過open()打開設(shè)備文件，調(diào)用到內(nèi)核的hello_open()，并調(diào)用down_interruptible()，因?yàn)榇藭r(shí)信號量沒有被占用，所以進(jìn)程A可以獲得信號量;
2. 進(jìn)程A獲得信號量之后繼續(xù)處理原有任務(wù)，此時(shí)進(jìn)程B也要通過open()打開設(shè)備文件，同樣調(diào)用內(nèi)核函數(shù)hello_open(),但此時(shí)信號量獲取不到，于是進(jìn)程B被阻塞;
3. 進(jìn)程A任務(wù)執(zhí)行完畢，關(guān)閉設(shè)備文件，并通過up()釋放信號量，于是進(jìn)程B被喚醒，并得以繼續(xù)執(zhí)行剩下的任務(wù)，
4. 進(jìn)程B執(zhí)行完任務(wù)，釋放設(shè)備文件，通過up()釋放信號量

代碼如下：

#include <linux/init.h> 
#include <linux/module.h> 
#include <linux/kdev_t.h> 
#include <linux/fs.h> 
#include <linux/cdev.h> 
#include <linux/device.h> 
#include <linux/semaphore.h> 
 
static int major = 250; 
static int minor = 0; 
static dev_t devno; 
static struct cdev cdev; 
 
 
static struct class *cls; 
static struct device *test_device; 
 
static struct semaphore sem; 
static int hello_open (struct inode *inode, struct file *filep) 
{ 
     
    if(down_interruptible(&sem))//p 
    { 
        return -ERESTARTSYS; 
    } 
      return 0; 
} 
static int hello_release (struct inode *inode, struct file *filep) 
{ 
    up(&sem);//v 
    return 0; 
} 
static struct file_operations hello_ops = 
{ 
    .open = hello_open, 
    .release = hello_release, 
}; 
static int hello_init(void) 
{ 
    int result; 
    int error;     
    printk("hello_init \n"); 
    result = register_chrdev( major, "hello", &hello_ops); 
    if(result < 0) 
    { 
        printk("register_chrdev fail \n"); 
        return result; 
    } 
    devno = MKDEV(major,minor); 
    cls = class_create(THIS_MODULE,"helloclass"); 
    if(IS_ERR(cls)) 
    { 
        unregister_chrdev(major,"hello"); 
        return result; 
    } 
    test_device = device_create(cls,NULL,devno,NULL,"test"); 
    if(IS_ERR(test_device )) 
    { 
        class_destroy(cls); 
        unregister_chrdev(major,"hello"); 
        return result; 
    } 
    sem_init(&sem,1); 
    return 0; 
} 
static void hello_exit(void) 
{ 
    printk("hello_exit \n"); 
    device_destroy(cls,devno);     
    class_destroy(cls); 
    unregister_chrdev(major,"hello"); 
    return; 
} 
module_init(hello_init); 
module_exit(hello_exit); 
MODULE_LICENSE("GPL"); 
MODULE_AUTHOR("daniel.peng")； 

測試程序 test.c

#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h> 
#include <fcntl.h> 
main() 
{ 
    int fd; 
     
    printf("before open\n ");     
    fd = open("/dev/test",O_RDWR);  //原子變量  0 
    if(fd<0) 
    { 
        perror("open fail \n"); 
        return; 
    } 
    printf("open ok ,sleep......\n ");     
    sleep(20); 
    printf("wake up from sleep!\n ");         
    close(fd);   //加為1 
} 

編譯步驟

1 make 生成 hello.ko

2 gcc test.c -o a

3 gcc test.c -o b

測試步驟

1.安裝驅(qū)動(dòng)

insmod hello.ko 

2.先運(yùn)行進(jìn)程A，在運(yùn)行進(jìn)程B

可見進(jìn)程A成功打開設(shè)備，在進(jìn)程A sleep期間會(huì)一直占有該字符設(shè)備，進(jìn)程B由于無法獲得信號量，進(jìn)入休閑，結(jié)合代碼可知，進(jìn)程B被阻塞在函數(shù)open()中。

3.進(jìn)程A 結(jié)束了sleep，并釋放字符設(shè)備以及信號量，進(jìn)程B被喚醒獲得信號量，并成功打開了字符設(shè)備。

進(jìn)程B執(zhí)行完sleep函數(shù)后退出，并釋放字符設(shè)備和信號量。

讀-寫信號量

跟自旋鎖一樣，信號量也有區(qū)分讀-寫信號量之分。

如果一個(gè)讀寫信號量當(dāng)前沒有被寫者擁有并且也沒有寫者等待讀者釋放信號量，那么任何讀者都可以成功獲得該讀寫信號量;否則，讀者必須被掛起直到寫者釋放該信號量。如果一個(gè)讀寫信號量當(dāng)前沒有被讀者或?qū)懻邠碛胁⑶乙矝]有寫者等待該信號量，那么一個(gè)寫者可以成功獲得該讀寫信號量，否則寫者將被掛起，直到?jīng)]有任何訪問者。因此，寫者是排他性的，獨(dú)占性的。

讀寫信號量有兩種實(shí)現(xiàn)，一種是通用的，不依賴于硬件架構(gòu)，因此，增加新的架構(gòu)不需要重新實(shí)現(xiàn)它，但缺點(diǎn)是性能低，獲得和釋放讀寫信號量的開銷大;另一種是架構(gòu)相關(guān)的，因此性能高，獲取和釋放讀寫信號量的開銷小，但增加新的架構(gòu)需要重新實(shí)現(xiàn)。在內(nèi)核配置時(shí)，可以通過選項(xiàng)去控制使用哪一種實(shí)現(xiàn)。

讀寫信號量的相關(guān)API：

DECLARE_RWSEM(name) 

該宏聲明一個(gè)讀寫信號量name并對其進(jìn)行初始化。

void init_rwsem(struct rw_semaphore *sem); 

該函數(shù)對讀寫信號量sem進(jìn)行初始化。

void down_read(struct rw_semaphore *sem); 

讀者調(diào)用該函數(shù)來得到讀寫信號量sem。該函數(shù)會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因此只能在進(jìn)程上下文使用。

int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem); 

該函數(shù)類似于down_read，只是它不會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠。它盡力得到讀寫信號量sem，如果能夠立即得到，它就得到該讀寫信號量，并且返回1，否則表示不能立刻得到該信號量，返回0。因此，它也可以在中斷上下文使用。

void down_write(struct rw_semaphore *sem); 

寫者使用該函數(shù)來得到讀寫信號量sem，它也會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因此只能在進(jìn)程上下文使用。

int down_write_trylock(struct rw_semaphore *sem); 

該函數(shù)類似于down_write，只是它不會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠。該函數(shù)盡力得到讀寫信號量，如果能夠立刻獲得，就獲得該讀寫信號量并且返回1，否則表示無法立刻獲得，返回0。它可以在中斷上下文使用。

void up_read(struct rw_semaphore *sem); 

讀者使用該函數(shù)釋放讀寫信號量sem。它與down_read或down_read_trylock配對使用。

如果down_read_trylock返回0，不需要調(diào)用up_read來釋放讀寫信號量，因?yàn)楦揪蜎]有獲得信號量。

void up_write(struct rw_semaphore *sem); 

寫者調(diào)用該函數(shù)釋放信號量sem。它與down_write或down_write_trylock配對使用。如果down_write_trylock返回0，不需要調(diào)用up_write，因?yàn)榉祷?表示沒有獲得該讀寫信號量。

void downgrade_write(struct rw_semaphore *sem); 

該函數(shù)用于把寫者降級為讀者，這有時(shí)是必要的。因?yàn)閷懻呤桥潘缘模虼嗽趯懻弑３肿x寫信號量期間，任何讀者或?qū)懻叨紝o法訪問該讀寫信號量保護(hù)的共享資源，對于那些當(dāng)前條件下不需要寫訪問的寫者，降級為讀者將，使得等待訪問的讀者能夠立刻訪問，從而增加了并發(fā)性，提高了效率。

讀寫信號量適于在讀多寫少的情況下使用，在linux內(nèi)核中對進(jìn)程的內(nèi)存映像描述結(jié)構(gòu)的訪問就使用了讀寫信號量進(jìn)行保護(hù)。

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