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鴻蒙輕內(nèi)核M核源碼分析系列十一 信號量Semaphore

作者：zhushangyuan
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 信號量(Semaphore)是一種實現(xiàn)任務(wù)間通信的機(jī)制，可以實現(xiàn)任務(wù)間同步或共享資源的互斥訪問。一個信號量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，通常有一個計數(shù)值，用于對有效資源數(shù)的計數(shù)，表示剩下的可被使用的共享資源數(shù)。以同步為目的的信號量和以互斥為目的的信號量在使用上存在差異。本文通過分析鴻蒙輕內(nèi)核信號量模塊的源碼，掌握信號量使用上的差異。

接下來，我們看下信號量的結(jié)構(gòu)體，信號量初始化，信號量常用操作的源代碼。

1、信號量結(jié)構(gòu)體定義和常用宏定義

1.1 信號量結(jié)構(gòu)體定義

在文件kernel\include\los_sem.h定義的信號量控制塊結(jié)構(gòu)體為LosSemCB，結(jié)構(gòu)體源代碼如下。信號量狀態(tài).semStat取值OS_SEM_UNUSED、OS_SEM_USED，其他成員變量的注釋見注釋部分。

  1. typedef struct { 
  2.     UINT16 semStat;      /**< 信號量狀態(tài) */ 
  3.     UINT16 semCount;     /**< 可用的信號量數(shù)量 */ 
  4.     UINT16 maxSemCount;  /**< 可用的信號量最大數(shù)量 */ 
  5.     UINT16 semID;        /**< 信號量Id */ 
  6.     LOS_DL_LIST semList; /**< 阻塞在該信號量的任務(wù)鏈表 */ 
  7. } LosSemCB; 

 1.2 信號量常用宏定義

系統(tǒng)支持創(chuàng)建多少信號量是根據(jù)開發(fā)板情況使用宏LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT定義的，每一個信號量semId是UINT32類型的，取值為[0,LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT)，表示信號量池中各個的信號量的編號。

⑴處的宏表示二值信號量的最大值為1，⑵處、⑶處的宏表示信號量未使用、使用狀態(tài)值。⑷處根據(jù)信號量阻塞任務(wù)雙向鏈表中的鏈表節(jié)點指針ptr獲取信號量控制塊結(jié)構(gòu)體指針。⑸處從信號量池中獲取指定信號量semId對應(yīng)的信號量控制塊。

  1. ⑴    #define OS_SEM_BINARY_MAX_COUNT     1 
  2.  
  3. ⑵    #define OS_SEM_UNUSED               0 
  4.  
  5. ⑶    #define OS_SEM_USED                 1 
  6.  
  7. ⑷    #define GET_SEM_LIST(ptr) LOS_DL_LIST_ENTRY(ptr, LosSemCB, semList) 
  8.  
  9. ⑸    #define GET_SEM(semid) (((LosSemCB *)g_allSem) + (semid)) 

 2、信號量初始化

信號量在內(nèi)核中默認(rèn)開啟，用戶可以通過宏LOSCFG_BASE_IPC_SEM進(jìn)行關(guān)閉。開啟信號量的情況下，在系統(tǒng)啟動時，在kernel\src\los_init.c中調(diào)用OsSemInit()進(jìn)行信號量模塊初始化。

下面，我們分析下信號量初始化的代碼。

⑴初始化雙向循環(huán)鏈表g_unusedSemList，維護(hù)未使用的信號量池。⑵為信號量池申請內(nèi)存，如果申請失敗，則返回錯誤。⑶循環(huán)每一個信號量進(jìn)行初始化，為每一個信號量節(jié)點指定索引semID，把.semStat設(shè)置為未使用OS_SEM_UNUSED，并執(zhí)行⑷把信號量節(jié)點插入未使用信號量雙向鏈表g_unusedSemList。

  1. LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsSemInit(VOID) 
  2. { 
  3.     LosSemCB *semNode = NULL; 
  4.     UINT16 index; 
  5.  
  6. ⑴  LOS_ListInit(&g_unusedSemList); 
  7.  
  8.     if (LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT == 0) { 
  9.         return LOS_ERRNO_SEM_MAXNUM_ZERO; 
  10.     } 
  11.  
  12. ⑵  g_allSem = (LosSemCB *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0, (LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT * sizeof(LosSemCB))); 
  13.     if (g_allSem == NULL) { 
  14.         return LOS_ERRNO_SEM_NO_MEMORY; 
  15.     } 
  16.  
  17. ⑶  for (index = 0; index < LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT; index++) { 
  18.         semNode = ((LosSemCB *)g_allSem) + index; 
  19.         semNode->semID = index; 
  20.         semNode->semStat = OS_SEM_UNUSED; 
  21. ⑷      LOS_ListTailInsert(&g_unusedSemList, &semNode->semList); 
  22.     } 
  23.     return LOS_OK; 
  24. } 

 3、信號量常用操作

3.1 信號量創(chuàng)建

我們可以使用函數(shù)LOS_SemCreate(UINT16 count, UINT32 *semHandle)來創(chuàng)建計數(shù)信號量，使用UINT32 LOS_BinarySemCreate(UINT16 count, UINT32 *semHandle)創(chuàng)建二值信號量，下面通過分析源碼看看如何創(chuàng)建信號量的。

2個函數(shù)的傳入?yún)?shù)一樣，需要傳入信號量的數(shù)量count，和保存信號量編號的semHandle。計數(shù)信號量的最大數(shù)量為OS_SEM_COUNTING_MAX_COUNT，二值信號量的最大數(shù)量為OS_SEM_BINARY_MAX_COUNT。會進(jìn)一步調(diào)用函數(shù)OsSemCreate()實現(xiàn)信號量的創(chuàng)建，下文繼續(xù)分析。

  1. LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 LOS_SemCreate(UINT16 count, UINT32 *semHandle) 
  2. { 
  3.     return OsSemCreate(count, OS_SEM_COUNTING_MAX_COUNT, semHandle); 
  4. } 
  5.  
  6. LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 LOS_BinarySemCreate(UINT16 count, UINT32 *semHandle) 
  7. { 
  8.     return OsSemCreate(count, OS_SEM_BINARY_MAX_COUNT, semHandle); 
  9. } 

 我們看看創(chuàng)建信號量的函數(shù)OsSemCreate()，需要3個參數(shù)，創(chuàng)建的信號量的數(shù)量，最大數(shù)量，以及信號量編號。

⑴判斷g_unusedSemList是否為空，還有可以使用的信號量資源?如果沒有可以使用的信號量，調(diào)用函數(shù)OsSemInfoGetFullDataHook()做些調(diào)測相關(guān)的檢測，這個函數(shù)需要開啟調(diào)測開關(guān)，后續(xù)系列專門分析。

⑵處如果g_unusedSemList不為空，則獲取第一個可用的信號量節(jié)點，接著從雙向鏈表g_unusedSemList中刪除，然后調(diào)用宏GET_SEM_LIST獲取LosSemCB *semCreated

，初始化創(chuàng)建的信號量信息，包含信號量的狀態(tài)、信號量數(shù)量，信號量最大數(shù)量等信息。⑶初始化雙向鏈表&semCreated->semList，阻塞在這個信號量上的任務(wù)會掛在這個鏈表上。⑷賦值給輸出參數(shù)*semHandle，后續(xù)程序使用這個信號量編號對信號量進(jìn)行其他操作。

  1. LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsSemCreate(UINT16 count, UINT16 maxCount, UINT32 *semHandle) 
  2. { 
  3.     UINT32 intSave; 
  4.     LosSemCB *semCreated = NULL; 
  5.     LOS_DL_LIST *unusedSem = NULL; 
  6.     UINT32 errNo; 
  7.     UINT32 errLine; 
  8.  
  9.     if (semHandle == NULL) { 
  10.         return LOS_ERRNO_SEM_PTR_NULL; 
  11.     } 
  12.  
  13.     if (count > maxCount) { 
  14.         OS_GOTO_ERR_HANDLER(LOS_ERRNO_SEM_OVERFLOW); 
  15.     } 
  16.  
  17.     intSave = LOS_IntLock(); 
  18.  
  19. ⑴  if (LOS_ListEmpty(&g_unusedSemList)) { 
  20.         LOS_IntRestore(intSave); 
  21.         OS_GOTO_ERR_HANDLER(LOS_ERRNO_SEM_ALL_BUSY); 
  22.     } 
  23.  
  24. ⑵  unusedSem = LOS_DL_LIST_FIRST(&(g_unusedSemList)); 
  25.     LOS_ListDelete(unusedSem); 
  26.     semCreated = (GET_SEM_LIST(unusedSem)); 
  27.     semCreated->semCount = count; 
  28.     semCreated->semStat = OS_SEM_USED; 
  29.     semCreated->maxSemCount = maxCount; 
  30. ⑶  LOS_ListInit(&semCreated->semList); 
  31. ⑷  *semHandle = (UINT32)semCreated->semID; 
  32.     LOS_IntRestore(intSave); 
  33.     OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_SEM_CREATE, semCreated); 
  34.     return LOS_OK; 
  35.  
  36. ERR_HANDLER: 
  37.     OS_RETURN_ERROR_P2(errLine, errNo); 
  38. } 

 3.2 信號量刪除

我們可以使用函數(shù)LOS_semDelete(UINT32 semHandle)來刪除信號量，下面通過分析源碼看看如何刪除信號量的。

⑴處判斷信號量semHandle是否超過LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT，如果超過則返回錯誤碼。如果信號量編號沒有問題，獲取信號量控制塊LosSemCB *semDeleted。⑵處判斷要刪除的信號量的狀態(tài)，如果處于未使用狀態(tài)，則跳轉(zhuǎn)到錯誤標(biāo)簽ERR_HANDLER:進(jìn)行處理。⑶如果信號量的阻塞任務(wù)列表不為空，不允許刪除，跳轉(zhuǎn)到錯誤標(biāo)簽進(jìn)行處理。⑷處如果信號量可用刪除，則會把.semStat設(shè)置為未使用OS_SEM_UNUSED，并把信號量節(jié)點插入未使用信號量雙向鏈表g_unusedSemList。

  1. LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 LOS_SemDelete(UINT32 semHandle) 
  2. { 
  3.     UINT32 intSave; 
  4.     LosSemCB *semDeleted = NULL; 
  5.     UINT32 errNo; 
  6.     UINT32 errLine; 
  7.  
  8. ⑴  if (semHandle >= (UINT32)LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT) { 
  9.         OS_GOTO_ERR_HANDLER(LOS_ERRNO_SEM_INVALID); 
  10.     } 
  11.  
  12.     semDeleted = GET_SEM(semHandle); 
  13.     intSave = LOS_IntLock(); 
  14. ⑵  if (semDeleted->semStat == OS_SEM_UNUSED) { 
  15.         LOS_IntRestore(intSave); 
  16.         OS_GOTO_ERR_HANDLER(LOS_ERRNO_SEM_INVALID); 
  17.     } 
  18.  
  19. ⑶  if (!LOS_ListEmpty(&semDeleted->semList)) { 
  20.         LOS_IntRestore(intSave); 
  21.         OS_GOTO_ERR_HANDLER(LOS_ERRNO_SEM_PENDED); 
  22.     } 
  23.  
  24. ⑷  LOS_ListAdd(&g_unusedSemList, &semDeleted->semList); 
  25.     semDeleted->semStat = OS_SEM_UNUSED; 
  26.     LOS_IntRestore(intSave); 
  27.     OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_SEM_DELETE, semDeleted); 
  28.     return LOS_OK; 
  29. ERR_HANDLER: 
  30.     OS_RETURN_ERROR_P2(errLine, errNo); 
  31. } 

 3.3 信號量申請

我們可以使用函數(shù)UINT32 LOS_SemPend(UINT32 semHandle, UINT32 timeout)來請求信號量，需要的2個參數(shù)分別是信號量semHandle和等待時間timeout，取值范圍為[0, LOS_WAIT_FOREVER]，單位為Tick。下面通過分析源碼看看如何請求信號量的。

申請信號量時首先會進(jìn)行信號量編號、參數(shù)的合法性校驗。⑴處代碼表示信號量如果大于配置的最大值，則返回錯誤碼。⑵處獲取要申請的信號量控制塊semPended。⑶處調(diào)用函數(shù)對信號量控制塊進(jìn)行校驗，如果信號量未創(chuàng)建，處于中斷處理期間，處于鎖任務(wù)調(diào)度期間，則返回錯誤碼。⑷處如果校驗不通過，跳轉(zhuǎn)到ERROR_SEM_PEND:標(biāo)簽停止信號量的申請。

⑸如果信號量計數(shù)大于0，信號量計數(shù)減1，返回申請成功的結(jié)果。⑹如果信號量計數(shù)等于0，并且零等待時間timeout，則返回結(jié)果碼LOS_ERRNO_SEM_UNAVAILABLE。⑺如果申請的信號量被全部占用，需要等待時，把當(dāng)前任務(wù)阻塞的信號量.taskSem標(biāo)記為申請的信號量，然后調(diào)用函數(shù)OsSchedTaskWait()，該函數(shù)詳細(xì)代碼上文已分析，把當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)設(shè)置為阻塞狀態(tài)，加入信號量的阻塞鏈表.semList。如果不是永久等待LOS_WAIT_FOREVER，還需要更改任務(wù)狀態(tài)為OS_TASK_STATUS_PEND_TIME，并且設(shè)置waitTimes等待時間。⑻處觸發(fā)任務(wù)調(diào)度進(jìn)行任務(wù)切換，暫時不執(zhí)行后續(xù)代碼。

如果等待時間超時，信號量還不可用，本任務(wù)獲取不到信號量時，繼續(xù)執(zhí)行⑼，更改任務(wù)狀態(tài)，返回錯誤碼。如果信號量可用，執(zhí)行⑽，本任務(wù)獲取到信號量，返回申請成功。

  1. LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 LOS_SemPend(UINT32 semHandle, UINT32 timeout) 
  2. { 
  3.     UINT32 intSave; 
  4.     LosSemCB *semPended = NULL; 
  5.     UINT32 retErr; 
  6.     LosTaskCB *runningTask = NULL; 
  7.  
  8. ⑴  if (semHandle >= (UINT32)LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT) { 
  9.         OS_RETURN_ERROR(LOS_ERRNO_SEM_INVALID); 
  10.     } 
  11.  
  12. ⑵  semPended = GET_SEM(semHandle); 
  13.     intSave = LOS_IntLock(); 
  14.  
  15. ⑶  retErr = OsSemValidCheck(semPended); 
  16.     if (retErr) { 
  17. ⑷      goto ERROR_SEM_PEND; 
  18.     } 
  19.  
  20. ⑸  if (semPended->semCount > 0) { 
  21.         semPended->semCount--; 
  22.         LOS_IntRestore(intSave); 
  23.         OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_SEM_PEND, semPended, runningTask); 
  24.         return LOS_OK; 
  25.     } 
  26.  
  27. ⑹  if (!timeout) { 
  28.         retErr = LOS_ERRNO_SEM_UNAVAILABLE; 
  29.         goto ERROR_SEM_PEND; 
  30.     } 
  31.  
  32. ⑺  runningTask = (LosTaskCB *)g_losTask.runTask; 
  33.     runningTask->taskSem = (VOID *)semPended; 
  34.     OsSchedTaskWait(&semPended->semList, timeout); 
  35.     LOS_IntRestore(intSave); 
  36.     OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_SEM_PEND, semPended, runningTask); 
  37. ⑻  LOS_Schedule(); 
  38.  
  39.     intSave = LOS_IntLock(); 
  40. ⑼  if (runningTask->taskStatus & OS_TASK_STATUS_TIMEOUT) { 
  41.         runningTask->taskStatus &= (~OS_TASK_STATUS_TIMEOUT); 
  42.         retErr = LOS_ERRNO_SEM_TIMEOUT; 
  43.         goto ERROR_SEM_PEND; 
  44.     } 
  45.  
  46.     LOS_IntRestore(intSave); 
  47. ⑽  return LOS_OK; 
  48.  
  49. ERROR_SEM_PEND: 
  50.     LOS_IntRestore(intSave); 
  51.     OS_RETURN_ERROR(retErr); 
  52. } 

 3.4 信號量釋放

我們可以使用函數(shù)UINT32 LOS_semPost(UINT32 semHandle)來釋放信號量，下面通過分析源碼看看如何釋放信號量的。

釋放信號量時首先會進(jìn)行信號量編號、參數(shù)的合法性校驗，這些比較簡單，自行閱讀即可。⑴處驗判斷是否信號量溢出。⑵如果信號量的任務(wù)阻塞鏈表不為空，執(zhí)行⑶從阻塞鏈表中獲取第一個任務(wù)，設(shè)置.taskSem為NULL，不再阻塞信號量。執(zhí)行⑷把獲取到信號量的任務(wù)調(diào)整其狀態(tài)，并加入就行隊列。⑸觸發(fā)任務(wù)調(diào)度進(jìn)行任務(wù)切換。⑹如果信號量的任務(wù)阻塞鏈表為空，則把信號量的計數(shù)加1。

  1. LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 LOS_SemPost(UINT32 semHandle) 
  2. { 
  3.     UINT32 intSave; 
  4.     LosSemCB *semPosted = GET_SEM(semHandle); 
  5.     LosTaskCB *resumedTask = NULL; 
  6.  
  7.     if (semHandle >= LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT) { 
  8.         return LOS_ERRNO_SEM_INVALID; 
  9.     } 
  10.  
  11.     intSave = LOS_IntLock(); 
  12.  
  13.     if (semPosted->semStat == OS_SEM_UNUSED) { 
  14.         LOS_IntRestore(intSave); 
  15.         OS_RETURN_ERROR(LOS_ERRNO_SEM_INVALID); 
  16.     } 
  17.  
  18. ⑴  if (semPosted->maxSemCount == semPosted->semCount) { 
  19.         LOS_IntRestore(intSave); 
  20.         OS_RETURN_ERROR(LOS_ERRNO_SEM_OVERFLOW); 
  21.     } 
  22. ⑵  if (!LOS_ListEmpty(&semPosted->semList)) { 
  23. ⑶      resumedTask = OS_TCB_FROM_PENDLIST(LOS_DL_LIST_FIRST(&(semPosted->semList))); 
  24.         resumedTask->taskSem = NULL; 
  25. ⑷      OsSchedTaskWake(resumedTask); 
  26.  
  27.         LOS_IntRestore(intSave); 
  28.         OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_SEM_POST, semPosted, resumedTask); 
  29. ⑸      LOS_Schedule(); 
  30.     } else { 
  31. ⑹      semPosted->semCount++; 
  32.         LOS_IntRestore(intSave); 
  33.         OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_SEM_POST, semPosted, resumedTask); 
  34.     } 
  35.  
  36.     return LOS_OK; 
  37. } 

 4、信號量使用總結(jié)

4.1 計數(shù)信號量、二值信號量和互斥鎖

計數(shù)信號量和二值信號量唯一的區(qū)別就是信號量的初始數(shù)量不一致，二值信號量初始數(shù)量只能為0和1，計數(shù)信號量的初始值可以為0和大于1的整數(shù)。

互斥鎖可以理解為一種特性的二值信號量，在實現(xiàn)實現(xiàn)對臨界資源的獨占式處理、互斥場景時，沒有本質(zhì)的區(qū)別。比對下二值的結(jié)構(gòu)體，互斥鎖的成員變量.muxCount表示加鎖的次數(shù)，信號量的成員變量.semCount表示信號量的計數(shù)，含義稍有不同。

4.2 信號量的互斥和同步

信號量可用用于互斥和同步兩種場景，以同步為目的的信號量和以互斥為目的的信號量在使用上，有如下不同：

  • 用于互斥的信號量

初始信號量計數(shù)值不為0，表示可用的共享資源個數(shù)。在需要使用共享資源前，先獲取信號量，然后使用一個共享資源，使用完畢后釋放信號量。這樣在共享資源被取完，即信號量計數(shù)減至0時，其他需要獲取信號量的任務(wù)將被阻塞，從而保證了共享資源的互斥訪問。對信號量的申請和釋放，需要成對出現(xiàn)，在同一個任務(wù)里完成申請和釋放。

  • 用于同步的信號量

多任務(wù)同時訪問同一份共享資源時，會導(dǎo)致沖突，這時候就需要引入任務(wù)同步機(jī)制使得各個任務(wù)按業(yè)務(wù)需求一個一個的對共享資源進(jìn)行有序訪問操作。任務(wù)同步的實質(zhì)就是任務(wù)按需進(jìn)行排隊。

用于同步的信號量，初始信號量計數(shù)值為0。任務(wù)1申請信號量而阻塞，直到任務(wù)2或者某中斷釋放信號量，任務(wù)1才得以進(jìn)入Ready或Running態(tài)，從而達(dá)到了任務(wù)間的同步。信號量的能不能申請成功，依賴其他任務(wù)是否釋放信號量，申請和釋放在不同的任務(wù)里完成。

小結(jié)

本文帶領(lǐng)大家一起剖析了鴻蒙輕內(nèi)核的信號量模塊的源代碼，包含信號量的結(jié)構(gòu)體、信號量池初始化、信號量創(chuàng)建刪除、申請釋放等。感謝閱讀!

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責(zé)任編輯：jianghua 來源： 鴻蒙社區(qū)
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