Linux内核驱动之信号量和互斥锁

旗标在计算机科学中是一个被很好理解的概念. 在它的核心, 一个旗标是一个单个整型值, 结合有一对函数, 典型地称为 P 和 V. 一个想进入临界区的进程将在相关旗标上调用 P; 如果旗标的值大于零, 这个值递减 1 并且进程继续. 相反, 如果旗标的值是 0 ( 或更小 ), 进程必须等待直到别人释放旗标. 解锁一个旗标通过调用 V 完成; 这个函数递增旗标的值, 并且, 如果需要, 唤醒等待的进程.

当旗标用作互斥 -- 阻止多个进程同时在同一个临界区内运行 -- 它们的值将初始化为 1. 这样的旗标在任何给定时间只能由一个单个进程或者线程持有. 以这种模式使用的旗标有时称为一个互斥锁, 就是, 当然, "互斥"的缩写. 几乎所有在 Linux 内核中发现的旗标都是用作互斥.

Linux 旗标实现

Linux 内核提供了一个遵守上面语义的旗标实现, 尽管术语有些不同. 为使用旗标, 内核代码必须包含 . 相关的类型是 struct semaphore; 实际旗标可以用几种方法来声明和初始化. 一种是直接创建一个旗标, 接着使用 sema_init 来设定它:

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

这里 val 是安排给旗标的初始值.

然而, 通常旗标以互斥锁的模式使用. 为使这个通用的例子更容易些, 内核提供了一套帮助函数和宏定义. 因此, 一个互斥锁可以声明和初始化, 使用下面的一种:

DECLARE_MUTEX(name);

DECLARE_MUTEX_LOCKED(name);

这里, 结果是一个旗标变量( 称为 name ), 初始化为 1 ( 使用 DECLARE_MUTEX ) 或者 0 (使用 DECLARE_MUTEX_LOCKED ). 在后一种情况, 互斥锁开始于上锁的状态; 在允许任何线程存取之前将不得不显式解锁它.

如果互斥锁必须在运行时间初始化( 这是如果动态分配它的情况, 举例来说), 使用下列中的一个:

void init_MUTEX(struct semaphore *sem);void init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *sem);

在 Linux 世界中, P 函数称为 down -- 或者这个名子的某个变体. 这里, "down" 指的是这样的事实, 这个函数递减旗标的值, 并且, 也许在使调用者睡眠一会儿来等待旗标变可用之后, 给予对被保护资源的存取. 有 3 个版本的 down:

void down(struct semaphore *sem);int down_interruptible(struct semaphore *sem);int down_trylock(struct semaphore *sem);

down 递减旗标值并且等待需要的时间. down_interruptible 同样, 但是操作是可中断的. 这个可中断的版本几乎一直是你要的那个; 它允许一个在等待一个旗标的用户空间进程被用户中断. 作为一个通用的规则, 你不想使用不可中断的操作, 除非实在是没有选择. 不可中断操作是一个创建不可杀死的进程( 在 ps 中见到的可怕的 "D 状态" )和惹恼你的用户的好方法, 使用 down_interruptible 需要一些格外的小心, 但是, 如果操作是可中断的, 函数返回一个非零值, 并且调用者不持有旗标. 正确的使用 down_interruptible 需要一直检查返回值并且针对性地响应.

最后的版本 ( down_trylock ) 从不睡眠; 如果旗标在调用时不可用, down_trylock 立刻返回一个非零值.

一旦一个线程已经成功调用 down 各个版本中的一个, 就说它持有着旗标(或者已经"取得"或者"获得"旗标). 这个线程现在有权力存取这个旗标保护的临界区. 当这个需要互斥的操作完成时, 旗标必须被返回. V 的 Linux 对应物是 up:

void up(struct semaphore *sem);

一旦 up 被调用, 调用者就不再拥有旗标.

源码： test.rar