Linux系统中的信号量机制

1、信号量的定义：

struct semaphore {

spinlock_t lock;

unsigned int count;

struct list_head wait_list;

};

在linux中，信号量用上述结构体表示，我们可以通过该结构体定义一个信号量。

2、信号量的初始化：

可用void sema_init(struct semaphore *sem, int val);直接创建，其中val为信号量初值。

也可以用两个宏来定义和初始化信号量的值为1或0：

DECLARE_MUTEX(name) : 定义信号量name并初始化为1

DECLARE_MUTEX_LOCKED(name) : 定义信号量name并初始化为0

还可以用下面的函数初始化：

void init_MUTEX(struct semaphore *sem); //初始化信号量的值为1
void init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *sem); //初始化信号量的值为0

3、信号量的原子操作：

p操作：

* void down(struct semaphore *sem); //用来获取信号量，如果信号量值大于或等于0，获取

                                                                    信号量，否则进入睡眠状态，睡眠状态不可唤醒

* void down_interruptible(struct semephore *sem); //用来获取信号量，如果信号量大于或                                                                                             

                                                                                           等于0，获取信号量，否则进入睡眠状

                                                                                           态，等待信号量被释放后，激活该程。

* void down_trylock(struct semaphore *sem); //试图获取信号量，如果信号量已被其他进程

                                                                                 获取，则立刻返回非零值，调用者不会睡眠

v操作：

* void up(struct semaphore *sem); //释放信号量，并唤醒等待该资源进程队列的第一个进程

4、经典同步问题的解决方案：

* 生产者和消费者问题：

a、单缓冲区问题描述：生产者向消费者提供产品，它们共享一个有界缓冲区，生产者向其中投放产品，消费者从中取得产品。同时，每个进程都互斥的占用CPU。假定生产者和消费者是互相等效的，只要缓冲区未满，生产者就可以把产品送入缓冲区，类似的，只要缓冲区未空，消费者便可以从缓冲区中取走产品并消费它。生产者—消费者的同步关系将禁止生产者向已满的缓冲区中放入产品，也禁止消费者从空的缓冲区中获取产品

问题分析： 需要定义两个信号量，一个用于互斥访问缓冲区，另一个用于生产者与消费者之间的同步。s1=1; s2=0;

伪代码：

生产者进程                                                                 消费者进程

while(1)                                                                       while(1)

{                                                                                   {

printf(“I'm producing!\n”);                                                down_interruptible(&s2);

down_interruptible(&s1);                                               down_interruptible(&s1);

printf(“I'm putting a product into the buffer\n”);            printf(“I'm getting a product\n”);

up(&s1);                                                                            up(&s1);

up(&s2);                                                                      printf(“I'm consuming a product\n”);

}                                                                                  }

b、多生产者、多消费者、n个缓冲区问题描述：有一群生产者进程在生产产品，并将这些产品提供给消费者进程去消费。为使生产者进程与消费者进程并发执行，在两者之间设置了n个缓冲区，生产者将产品放入一个缓冲区中，消费者可以从一个缓冲区中取走产品去消费。要求生产者进程与消费者进程必须保持同步，即不允许生产者进程向一个满的缓冲区放产品，也不允许消费者从一个空的缓冲区取产品。

问题分析：该问题貌似比a问题复杂的多，首先我们定义一个数组buffer[n]，来表示n个缓冲区，还需要定义两个变量：in 表示要存入的缓冲区的下标，out表示要取产品的缓冲区的下标。定义三个信号量：s1用于实现对缓冲池的互斥操作，empty表示空缓冲区的个数，full表示满缓冲区的个数。初值：in=out=0; s1=1; full=0; empty=n;

伪代码如下：

生产者进程                                                                    消费者进程

while(1)                                                                          while(1)

{                                                                                      {

printf(“I'm producing!\n”);                                                   down_interruptible(&full);

down_interruptible(&empty);                                            down_interruptible(&s1);

down_interruptible(&s1);                                                   printf(“I'm getting a product

printf(“I'm putting a product into the buffer[in]\n”);                  from buffer[out]\n”);

                                                                                                      out = (out+1)%n;

in = (in+1)%n;                                                                                up(&s1);

up(&s1);                                                                                       up(&empty);

up(&full);                                                                     printf(“I'm consuming a product\n”);

}                                                                                       }

* 哲学家进餐问题：

问题描述：五个哲学家共用一个圆桌，分别坐在周围的五张椅子上，在圆桌上有五只碗和五只筷子，他们交替进行思考和进餐。哲学家饥饿时便试图取最靠近他的两只筷子，当同时获得两只筷子时便可用餐，用餐完毕后放下筷子。

问题分析： 五只筷子为临界资源，定义包含五个元素的信号量数组来实现对筷子的互斥使用。chopstick[5]，五个信号量的初值都为1。

伪代码：

第i（i=0,1,2,3,4）个哲学家进程：

while(1)

{

          down_interruptible(&chopstick[i]);

          down_interruptible(&chopstick[(i+1)%5]);

          printf(“I'm eating!\n”);

          up(&chopstick[i]);

          up(&chopstick[(i+1)%5);

}

* 读者写者问题：

问题描述：一个文件可被多个进程共享，reader进程读取该文件，而writer进程负责写文件，允许多个reader进程同时读取文件，但不允许一个writer进程和其他reader进程或writer进程同时访问文件。

问题分析：进程对文件互斥访问的实现可借助一个信号量就可以搞定，但是我们需要引入一个count变量来记录reader进程的个数，对这个变量的访问也是互斥的，所以也需要引入一个信号量。定义信号量rs实现对count的互斥访问，定义ws实现对文件的互斥访问。两信号量初值都为1

伪代码：

reader进程                              writer进程

{                                                                                           {

        down_interruptible(&rs);                                                 down_interruptible(&ws);           if (count == 0){                                                                  printf(“I'm writing!\n”);

                  down_interruptible(&ws);                                     up(&ws);

        }                                                                                    }

        count++;

        up(&rs);

        printf(“I'm reading!\n”);

       down_interruptible(&rs);

       count--;

       if(count == 0){

               up(&ws);

        }

        up(&rs);

}