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分类: LINUX

2014-09-09 13:33:59

信号量(semaphore) 
  Linux内核的信号量在概念和原理上和用户态的System V的IPC机制信号量是相同的,不过他绝不可能在内核之外使用,因此他和System V的IPC机制信号量毫不相干。 
  信号量在创建时需要设置一个初始值,表示同时能有几个任务能访问该信号量保护的共享资源,初始值为1就变成互斥锁(Mutex),即同时只能有一个任务能访问信号量保护的共享资源。 
   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,表示能获得信号量,因而能即时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,因此他也唤醒所有等待该信号量的任务。 

  信号量的API有: 
DECLARE_MUTEX(name) 
  该宏声明一个信号量name并初始化他的值为1,即声明一个互斥锁。 

DECLARE_MUTEX_LOCKED(name) 
  该宏声明一个互斥锁name,但把他的初始值设置为0,即锁在创建时就处在已锁状态。因此对于这种锁,一般是先释放后获得。 

void sema_init (struct semaphore *sem, int val); 
  该函用于数初始化设置信号量的初值,他设置信号量sem的值为val。 

void init_MUTEX (struct semaphore *sem); 
  该函数用于初始化一个互斥锁,即他把信号量sem的值设置为1。 

void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem); 
  该函数也用于初始化一个互斥锁,但他把信号量sem的值设置为0,即一开始就处在已锁状态。 

void down(struct semaphore * sem); 
  该函数用于获得信号量sem,他会导致睡眠,因此不能在中断上下文(包括IRQ上下文和softirq上下文)使用该函数。该函数将把sem的值减1,如果信号量sem的值非负,就直接返回,否则调用者将被挂起,直到别的任务释放该信号量才能继续运行。 

int down_interruptible(struct semaphore * sem); 
  该函数功能和down类似,不同之处为,down不会被信号(signal)打断,但down_interruptible能被信号打断,因此该函数有返回值来区分是正常返回还是被信号中断,如果返回0,表示获得信号量正常返回,如果被信号打断,返回-EINTR。 

int down_trylock(struct semaphore * sem); 
  该函数试着获得信号量sem,如果能够即时获得,他就获得该信号量并返回0,否则,表示不能获得信号量sem,返回值为非0值。因此,他不会导致调用者睡眠,能在中断上下文使用。

 

int down_killable(struct semaphore *sem);

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

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


void up(struct semaphore * sem); 
  该函数释放信号量sem,即把sem的值加1,如果sem的值为非正数,表明有任务等待该信号量,因此唤醒这些等待者。

  信号量在绝大部分情况下作为互斥锁使用,下面以console驱动系统为例说明信号量的使用。 
  在内核源码树的kernel/printk.c中,使用宏DECLARE_MUTEX声明了一个互斥锁console_sem,他用于保护console驱动列表console_drivers及同步对整个console驱动系统的访问。 
   其中定义了函数acquire_console_sem来获得互斥锁console_sem,定义了release_console_sem来释放互斥锁console_sem,定义了函数try_acquire_console_sem来尽力得到互斥锁console_sem。这三个函数实际上是分别对函数down,up和down_trylock的简单包装。 
  需要访问console_drivers驱动列表时就需要使用acquire_console_sem来保护console_drivers列表,当访问完该列表后,就调用release_console_sem释放信号量console_sem。 
   函数 console_unblank,console_device,console_stop,console_start,register_console 和unregister_console都需要访问console_drivers,因此他们都使用函数对acquire_console_sem和 release_console_sem来对console_drivers进行保护。


深入浅出down_interruptible函数

int down_interruptible(struct semaphore *sem)
这个函数的功能就是获得信号量,如果得不到信号量就睡眠,此时没有信号打断,那么进入睡眠。但是在睡眠过程中可能被信号打断,打断之后返回-EINTR,主要用来进程间的互斥同步。

下面是该函数的注释:
/**
* 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.
*/

一个进程在调用down_interruptible()之后,如果sem<0,那么就进入到可中断的睡眠状态并调度其它进程运行, 但是一旦该进程收到信号,那么就会从down_interruptible函数中返回。并标记错误号为:-EINTR。一个形象的比喻:传入的信号量为1好比天亮,如果当前信号量为0,进程睡眠,直到(信号量为1)天亮才醒,但是可能中途有个闹铃(信号)把你闹醒。又如:小强下午放学回家,回家了就要开始吃饭嘛,这时就会有两种情况:情况一:饭做好了,可以开始吃;情况二:当他到厨房去的时候发现妈妈还在做,妈妈就对他说:“你先去睡会,待会做好了叫你。”小强就答应去睡会,不过又说了一句:“睡的这段时间要是小红来找我玩,你可以叫醒我。”小强就是down_interruptible,想吃饭就是获取信号量,睡觉对应这里的休眠,而小红来找我玩就是中断休眠。

使用可被中断的信号量版本的意思是,万一出现了semaphore的死锁,还有机会用ctrl+c发出软中断,让等待这个内核驱动返回的用户态进程退出。而不是把整个系统都锁住了。在休眠时,能被中断信号终止,这个进程是可以接受中断信号的!比如你在命令行中输入# sleep 10000,按下ctrl + c,就给上面的进程发送了进程终止信号。信号发送给用户空间,然后通过系统调用,会把这个信号传给递给驱动。信号只能发送给用户空间,无权直接发送给内核的,那1G的内核空间,我们是无法直接去操作的。
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