linux内核信号量学习（2.6.23(i386)）

 

一、定义：

/linux/include/asm-i386/semaphore.h

struct  {
         ;
        int ;
         ;
};

二、作用：

Linux中的信号量是一种睡眠锁。如果有一个任务试图获得一个已被持有的信号量时，信号量会将其推入等待队列，然后让其睡眠。这时处理器获得自由去执行其它代码。当持有信号量的进程将信号量释放后，在等待队列中的一个任务将被唤醒，从而便可以获得这个信号量

。主要用在linux内核中的同步和互斥。

三、字段详解：

1、atomic_t count;

typedef struct { int ; } ;

在此根据count.counter的值不同该字段代表不同的意义：

(1)如果count.counter大于0，则资源是空闲的，该资源现在可以被使用。

(2)如果count.counter等于0，则信号量是忙的，但没有进程等待这个被保护的资源，当前只有该进程在访问被保护的资源。

(3)如果count.counter小于0，则该资源不可用，并且至少有一个进程在等待该资源。

2、int sleepers;

存放一个标志，表示是否有一些进程在信号量上睡眠。在获取信号量操作的时候，使用该字段和count字段来判断信号量的状态和进行不同的操作。

3、wait_queue_head_t;

struct  {
         ;
        struct  ;
};
typedef struct  ;

task_list字段存放当前等待该信号量的所有进程的链表。如果count.counter大于或等于0，该链表就为空。

四、特点：
信号量的睡眠特性，使得信号量适用于锁会被长时间持有的情况；只能在进程上下文中使用，因为中断上下文中是不能被调度的；另外当代码持有信号量时，不可以再持有自旋锁。

一个任务要想访问共享资源，首先必须得到信号量，获取信号量的操作将把信号量的值减1，若当前信号量的值为负数，表明无法获得信号量，该任务必须挂起在该信号量的等待队列等待该信号量可用；若当前信号量的值为非负数，表示可以获得信号量，因而可以立刻访问被该信号量保护的共享资源。当任务访问完被信号量保护的共享资源后，必须释放信号量，释放信号量通过把信号量的值加1实现，如果信号量的值为非正数，表明有任务等待当前信号量，因此它也唤醒所有等待该信号量的任务。

五、操作：

1、定义及初始化：

(1)

struct semapom sem;

sema_init(&sem,1);

直接定义一个信号量sem，并调用sema_init()对其进行初始化：

static  void  (struct  *, int )
{
/*
 *      *sem = (struct semaphore)__SEMAPHORE_INITIALIZER((*sem),val);
 *
 * i'd rather use the more flexible initialization above, but sadly
 * GCC 2.7.2.3 emits a bogus warning. EGCS doesn't. Oh well.
 */
        (&->, );
        -> = 0;
        (&->);
}

该函数会将sem->count.counter初始化为val。虽然val可以为任何整数，但通常会取1、0。并置sleepers为0，sem->wait.task_list为空链表。

(2)

srtuct semaphore sem;

init_MUTEX(&sem);

直接定义信号量sem并初始化为互斥信号量。

static  void  (struct  *)
{
        (, 1);
}

该函数直接将信号量的count.counter置为1，便是初始化一个用于互斥访问的信号量。也就是说被保护的资源不能同时被多个进程访问，此刻资源是空闲的，那么当有一个进程访问该资源时，也即获得了信号量，当再有进程到来且当前访问资源的进程没有释放信号量时，后来的进程是不能访问该资源的。此刻它被置入信号量的等待进程队列，并进入休眠状态。

(3)

struct semaphore sem;

init_MUTEX_LOCKED(&sem);

直接定义信号量sem并初始化为资源忙状态，用于同步。

static  void  (struct  *)
{
        (, 0);
}

也就是说当前该信号量已经被锁定，一个执行单元的继续执行需等待另一执行单元完成，保证执行的先后顺序。例如：

进程A                                              进程B

struct semaphore sem;                 ...[CODE 2]...

init_MUTEX_LOCKED(&sem);        up(&sem);

...[CODE 1]...

down(&sem);

...[CODE 3]...

如上，进程A先运行，运行到down(&sem);的时候发现信号量为资源忙状态，不能获得，于是被置入信号量的等待队列中。当进程B执行完CODE 2代码段到up(&sem)时，会释放信号量，发现进程A在等待信号量，就将A从等待队列中删除，并唤醒A。这样就保证了代码的执行顺序是CODE 1 → CODE 2 → CODE 3。实现了同步。

(4)

DECLARE_MUTEX(sem);

DECLARE_MUTEX_LOCKED(sem);

#define (, )                                \
{                                                                       \
        .          = (),                               \
        .       = 0,                                            \
        .           = (().)    \
}

#define (,) \
        struct   = (,)

#define () (,1)
#define () (,0)

此两个宏都是定义初始化信号量。DECLARE_MUTEX()等同于以上所讲的第二个，DECLARE_MUTEX_LOCKED()等同于以上所讲的第三个。

2、获得信号量：

(1)

static  void (struct  * )
{
        ();
         (
                "# atomic down operation\n\t"
                 "decl %0\n\t"     /* --sem->count */
                "jns 2f\n"
                "\tlea %0,%%eax\n\t"
                "call __down_failed\n"
                "2:"
                :"+m" (->)
                :
                :"memory","ax");
}

(struct  *)
{
        struct  * = current;
        (, );

#ifdef 
        ("%s(%d): down failed(%p)\n",
               ->, ->, );
#endif

        -> = ;
        ();
        (&->, &);

        /*
         * Try to get the semaphore.  If the count is > 0, then we've
         * got the semaphore; we decrement count and exit the loop.
         * If the count is 0 or negative, we set it to -1, indicating
         * that we are asleep, and then sleep.
         */
        while ((, -1) <= 0) {
                ();
                (, );
        }
        (&->, &);
        -> = ;

        /*
         * If there are any more sleepers, wake one of them up so
         * that it can either get the semaphore, or set count to -1
         * indicating that there are still processes sleeping.
         */
        (&->);

#ifdef 
        ("%s(%d): down acquired(%p)\n",
               ->, ->, );
#endif
}

从代码中可知：

如果count.counter为1，则置count.counter为0，直接跳出函数。

如果count.counter为0，count.counter被减为－1，之后执行__down_failed()函数。

__down_failed()函数首先将当前进程设置为不可中断状态(

)然后将其添加进等待进程队列，接下来在whlie循环处试图获得信号量。如果count.counter大于0就获得了信号量，则不进入循环，将当前进程从等待队列中删除，并设置其状态为可运行状态(TASK_RUNNING)，最后唤醒等待该信号量的进程(此处初始count.counter为0，表示没有等待进程，所以此句相当于没有)。否则将count.counter设置为－1，并进入whlie循环，挂起当前进程，随后又恢复，继续测试count.counter字段直到其大于0(即获得信号量)。

如果count.counter为－1，则其被置为－2，之后执行__down_failed()函数。与count.counter等于0不同的是其在获得了信号量之后，由于有等待进程(count.counter=-1)，所以退出时会唤醒等待进程。

由于信号量会导致睡眠，所以不能用在中断上下文。再者使用down()而进入睡眠的进程不能被信号打断。

(2)

/*
 * Interruptible try to acquire a semaphore.  If we obtained
 * it, return zero.  If we were interrupted, returns -EINTR
 */
static  int (struct  * )
{
        int ;

        ();
         (
                "# atomic interruptible down operation\n\t"
                "xorl %0,%0\n\t"
                 "decl %1\n\t"     /* --sem->count */
                "jns 2f\n\t"
                "lea %1,%%eax\n\t"
                "call __down_failed_interruptible\n"
                "2:"
                :"=&a" (), "+m" (->)
                :
                :"memory");
        return ;
}
int 
(struct  *)
{
        struct  * = current;
        (, );
        long  = 0;

#ifdef 
        ("%s(%d): down failed(%p)\n",
               ->, ->, );
#endif

        -> = ;
        ();
        (&->, &);

        while ((, -1) <= 0) {
                if ((current)) {
                        /*
                         * A signal is pending - give up trying.
                         * Set sem->count to 0 if it is negative,
                         * since we are no longer sleeping.
                         */
                        (, 0);
                         = -;
                        break;
                }
                ();
                (, );
        }

        (&->, &);
        -> = ;
        (&->);

#ifdef 
        ("%s(%d): down %s(%p)\n",
               current->, current->,
               ( < 0 ? "interrupted" : "acquired"), );
#endif
        return ;
}

由代码可以看出down_interruptible()和down()不同的是：down_interruptible()有返回值，

在调用__down_failed_interruptible()函数时，while循环中稍有不同。__down_failed_interruptible()在while中时，如果收到TIF_SIGPENDING信号时，会置count.counter为0，跳出循环，可见down_interruptible()是可以被信号打断的，且返回非零(EINIR)。

(3)

static  int (struct  * )
{
        int ;

         (
                "# atomic interruptible down operation\n\t"
                "xorl %0,%0\n\t"
                 "decl %1\n\t"     /* --sem->count */
                "jns 2f\n\t"
                "lea %1,%%eax\n\t"
                "call __down_failed_trylock\n\t"
                "2:\n"
                :"=&a" (), "+m" (->)
                :
                :"memory");
        return ;
}

该函数尝试获得信号量sem，如果能够立即获得，则获得信号量sem并返回0，否则，返回非0。它不会导致调用者睡眠，可以在中断上下文使用。

3、释放信号量：

static  void (struct  * )
{
         (
                "# atomic up operation\n\t"
                 "incl %0\n\t"     /* ++sem->count */
                "jg 1f\n\t"
                "call __up_wakeup\n"
                "1:"
                :"=m" (->)
                :"D" ()
                :"memory");
}
void
(struct  *)
{
        /*
         * Note that we incremented count in up() before we came here,
         * but that was ineffective since the result was <= 0, and
         * any negative value of count is equivalent to 0.
         * This ends up setting count to 1, unless count is now > 0
         * (i.e. because some other cpu has called up() in the meantime),
         * in which case we just increment count.
         */
        (, 1);
        (&->);
}

up()函数首先使count.counter自增，如果其大于0，则，说明其初始值是0，没有等待进程，所以直接跳出。否则调用__up_wake_up()函数将count.counter置为1，再唤醒等待进程。

六、使用实例：

信号量的一般使用形式是：

DECLARE_MUTEX(sem);

down(&sem); //获得信号量

...[CODE]... //临界区(被保护的资源)

up(&sem); //释放信号量

七、信号量与自旋锁的比较：

信号量是进程级别的，用于多个进程之间对资源的互斥，虽然也是在内核中，但是该内核执行路径是以进程的身份，代表进程来竞争资源的。如果竞争失败，就会发生进程上下文切换，当前进程进入睡眠状态，CPU将运行其他进程。鉴于进程上下文切换的开销也很大，因此只有当进程占用资源时间较长时，用信号量才是较好的选择。当所要保护的临界区访问时间比较短时，用自旋锁是非常方便的，因为它节省上下文切换的时间。但是CPU得不到自旋锁会在那里空转知道其他执行单元解锁为止。所以要求锁不能在临界区里常时间停留，否则会降低系统的效率。

              自旋锁对信号量
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       需求                                建议的加锁方法

低开销加锁                              优先使用自旋锁
短期锁定                                  优先使用自旋锁
长期加锁                                  优先使用信号量
中断上下文中加锁                     使用自旋锁
持有锁是需要睡眠、调度            使用信号量