概念

Linux內(nèi)核的信號(hào)量在概念和原理上和用戶態(tài)的System V的IPC機(jī)制信號(hào)量是相同的，不過(guò)他絕不可能在內(nèi)核之外使用，因此他和System V的IPC機(jī)制信號(hào)量毫不相干。

如果有一個(gè)任務(wù)想要獲得已經(jīng)被占用的信號(hào)量時(shí)，信號(hào)量會(huì)將其放入一個(gè)等待隊(duì)列（它不是站在外面癡癡地等待而是將自己的名字寫在任務(wù)隊(duì)列中）然后讓其睡眠。

當(dāng)持有信號(hào)量的進(jìn)程將信號(hào)釋放后，處于等待隊(duì)列中的一個(gè)任務(wù)將被喚醒（因?yàn)殛?duì)列中可能不止一個(gè)任務(wù)），并讓其獲得信號(hào)量。這一點(diǎn)與自旋鎖不同，處理器可以去執(zhí)行其它代碼。

應(yīng)用場(chǎng)景

由于爭(zhēng)用信號(hào)量的進(jìn)程在等待鎖重新變?yōu)榭捎脮r(shí)會(huì)睡眠，所以信號(hào)量適用于鎖會(huì)被長(zhǎng)時(shí)間持有的情況；相反，鎖被短時(shí)間持有時(shí)，使用信號(hào)量就不太適宜了，因?yàn)樗摺⒕S護(hù)等待隊(duì)列以及喚醒所花費(fèi)的開銷可能比鎖占用的全部時(shí)間表還要長(zhǎng)。

舉2個(gè)生活中的例子：

1. 我們坐火車從南京到新疆需要2天的時(shí)間，這個(gè)'任務(wù)'特別的耗時(shí)，只能坐在車上等著車到站，但是我們沒(méi)有必要一直睜著眼睛等，理想的情況就是我們上車就直接睡覺(jué)，醒來(lái)就到站（看過(guò)《異形》的讀者會(huì)深有體會(huì)），這樣從人（用戶）的角度來(lái)說(shuō)，體驗(yàn)是最好的，對(duì)比于進(jìn)程，程序在等待一個(gè)耗時(shí)事件的時(shí)候，沒(méi)有必須要一直占用CPU，可以暫停當(dāng)前任務(wù)使其進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)?shù)却氖录l(fā)生之后再由其他任務(wù)喚醒，類似于這種場(chǎng)景采用信號(hào)量比較合適。

2. 我們有時(shí)候會(huì)等待電梯、洗手間，這種場(chǎng)景需要等待的時(shí)間并不是很多，如果我們還要找個(gè)地方睡一覺(jué)，然后等電梯到了或者洗手間可以用了再醒來(lái)，那很顯然這也沒(méi)有必要，我們只需要排好隊(duì)，刷一刷抖音就可以了，對(duì)比于計(jì)算機(jī)程序，比如驅(qū)動(dòng)在進(jìn)入中斷例程，在等待某個(gè)寄存器被置位，這種場(chǎng)景需要等待的時(shí)間往往很短暫，系統(tǒng)開銷甚至遠(yuǎn)小于進(jìn)入休眠的開銷，所以這種場(chǎng)景采用自旋鎖比較合適。

關(guān)于信號(hào)量和自旋鎖，以及死鎖問(wèn)題，我們后面會(huì)再詳細(xì)討論。

使用方法

一個(gè)任務(wù)要想訪問(wèn)共享資源，首先必須得到信號(hào)量，獲取信號(hào)量的操作將把信號(hào)量的值減1，若當(dāng)前信號(hào)量的值為負(fù)數(shù)，表明無(wú)法獲得信號(hào)量，該任務(wù)必須掛起在 該信號(hào)量的等待隊(duì)列等待該信號(hào)量可用；若當(dāng)前信號(hào)量的值為非負(fù)數(shù)，表示能獲得信號(hào)量，因而能即時(shí)訪問(wèn)被該信號(hào)量保護(hù)的共享資源。

當(dāng)任務(wù)訪問(wèn)完被信號(hào)量保護(hù)的共享資源后，必須釋放信號(hào)量，釋放信號(hào)量通過(guò)把信號(hào)量的值加1實(shí)現(xiàn)，如果信號(hào)量的值為非正數(shù)，表明有任務(wù)等待當(dāng)前信號(hào)量，因此他也喚醒所有等待該信號(hào)量的任務(wù)。

內(nèi)核信號(hào)量的構(gòu)成

內(nèi)核信號(hào)量類似于自旋鎖，因?yàn)楫?dāng)鎖關(guān)閉著時(shí)，它不允許內(nèi)核控制路徑繼續(xù)進(jìn)行。然而，當(dāng)內(nèi)核控制路徑試圖獲取內(nèi)核信號(hào)量鎖保護(hù)的忙資源時(shí)，相應(yīng)的進(jìn)程就被掛起。只有在資源被釋放時(shí)，進(jìn)程才再次變?yōu)榭蛇\(yùn)行。

只有可以睡眠的函數(shù)才能獲取內(nèi)核信號(hào)量；中斷處理程序和可延遲函數(shù)都不能使用內(nèi)核信號(hào)量。

內(nèi)核信號(hào)量是struct semaphore類型的對(duì)象，在內(nèi)核源碼中位于include\linux\semaphore.h文件

struct semaphore{
    raw_spinlock_t        lock;
    unsigned int        count;
    struct list_head    wait_list;
}

信號(hào)量的API

初始化

DECLARE_MUTEX(name)

該宏聲明一個(gè)信號(hào)量name并初始化他的值為1，即聲明一個(gè)互斥鎖。

DECLARE_MUTEX_LOCKED(name)

該宏聲明一個(gè)互斥鎖name，但把他的初始值設(shè)置為0，即鎖在創(chuàng)建時(shí)就處在已鎖狀態(tài)。因此對(duì)于這種鎖，一般是先釋放后獲得。

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

該函用于數(shù)初始化設(shè)置信號(hào)量的初值，他設(shè)置信號(hào)量sem的值為val。

注意：

val設(shè)置為1說(shuō)明只有一個(gè)持有者，這種信號(hào)量叫二值信號(hào)量或者叫互斥信號(hào)量。

我們還允許信號(hào)量可以有多個(gè)持有者，這種信號(hào)量叫計(jì)數(shù)信號(hào)量，在初始化時(shí)要說(shuō)明最多允許有多少個(gè)持有者也可以把信號(hào)量中的val初始化為任意的正數(shù)值n，在這種情況下，最多有n個(gè)進(jìn)程可以并發(fā)地訪問(wèn)這個(gè)資源。

void init_MUTEX (struct semaphore *sem);

該函數(shù)用于初始化一個(gè)互斥鎖，即他把信號(hào)量sem的值設(shè)置為1。

void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem);

該函數(shù)也用于初始化一個(gè)互斥鎖，但他把信號(hào)量sem的值設(shè)置為0，即一開始就處在已鎖狀態(tài)。

PV操作

獲取信號(hào)量（P）

void down(struct semaphore * sem);

該函數(shù)用于獲得信號(hào)量sem，他會(huì)導(dǎo)致調(diào)用該函數(shù)的進(jìn)程睡眠，因此不能在中斷上下文（包括IRQ上下文和softirq上下文）使用該函數(shù)。該函數(shù)將把sem的值減1，如果信號(hào)量sem的值非負(fù)，就直接返回，否則調(diào)用者將被掛起，直到別的任務(wù)釋放該信號(hào)量才能繼續(xù)運(yùn)行。

int down_interruptible(struct semaphore * sem);

該函數(shù)功能和down類似，不同之處為，down不會(huì)被信號(hào)（signal）打斷，但down_interruptible能被信號(hào)打斷，因此該函數(shù)有返回值來(lái)區(qū)分是正常返回還是被信號(hào)中斷，如果返回0，表示獲得信號(hào)量正常返回，如果被信號(hào)打斷，返回-EINTR。

int down_trylock(struct semaphore * sem);

該函數(shù)試著獲得信號(hào)量sem，如果能夠即時(shí)獲得，他就獲得該信號(hào)量并返回0，否則，表示不能獲得信號(hào)量sem，返回值為非0值。因此，他不會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，能在中斷上下文使用。

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

釋放內(nèi)核信號(hào)量（V）

void up(struct semaphore * sem);

該函數(shù)釋放信號(hào)量sem，即把sem的值加1，如果sem的值為非正數(shù)，表明有任務(wù)等待該信號(hào)量，因此喚醒這些等待者。

補(bǔ)充

int down_interruptible(struct semaphore *sem)

這個(gè)函數(shù)的功能就是獲得信號(hào)量，如果得不到信號(hào)量就睡眠，此時(shí)沒(méi)有信號(hào)打斷，那么進(jìn)入睡眠。但是在睡眠過(guò)程中可能被信號(hào)打斷，打斷之后返回-EINTR，主要用來(lái)進(jìn)程間的互斥同步。

下面是該函數(shù)的注釋：

/**
* 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.
*/

一個(gè)進(jìn)程在調(diào)用down_interruptible()之后，如果sem<0，那么就進(jìn)入到可中斷的睡眠狀態(tài)并調(diào)度其它進(jìn)程運(yùn)行， 但是一旦該進(jìn)程收到信號(hào)，那么就會(huì)從down_interruptible函數(shù)中返回。并標(biāo)記錯(cuò)誤號(hào)為:-EINTR。

一個(gè)形象的比喻：傳入的信號(hào)量為1好比天亮，如果當(dāng)前信號(hào)量為0，進(jìn)程睡眠，直到（信號(hào)量為1）天亮才醒，但是可能中途有個(gè)鬧鈴（信號(hào)）把你鬧醒。

又如：小強(qiáng)下午放學(xué)回家，回家了就要開始吃飯嘛，這時(shí)就會(huì)有兩種情況：情況一：飯做好了，可以開始吃；情況二：當(dāng)他到廚房去的時(shí)候發(fā)現(xiàn)媽媽還在做， 媽媽就對(duì)他說(shuō)：“你先去睡會(huì)，待會(huì)做好了叫你。” 小強(qiáng)就答應(yīng)去睡會(huì)，不過(guò)又說(shuō)了一句：“睡的這段時(shí)間要是小紅來(lái)找我玩，你可以叫醒我。” 小強(qiáng)就是down_interruptible，想吃飯就是獲取信號(hào)量，睡覺(jué)對(duì)應(yīng)這里的休眠，而小紅來(lái)找我玩就是中斷休眠。

使用可被中斷的信號(hào)量版本的意思是，萬(wàn)一出現(xiàn)了semaphore的死鎖，還有機(jī)會(huì)用ctrl+c發(fā)出軟中斷，讓等待這個(gè)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)返回的用戶態(tài)進(jìn)程退出。而不是把整個(gè)系統(tǒng)都鎖住了。在休眠時(shí)，能被中斷信號(hào)終止，這個(gè)進(jìn)程是可以接受中斷信號(hào)的！

比如你在命令行中輸入# sleep 10000，按下ctrl + c，就給上面的進(jìn)程發(fā)送了進(jìn)程終止信號(hào)。信號(hào)發(fā)送給用戶空間，然后通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用，會(huì)把這個(gè)信號(hào)傳給遞給驅(qū)動(dòng)。信號(hào)只能發(fā)送給用戶空間，無(wú)權(quán)直接發(fā)送給內(nèi)核的，那1G的內(nèi)核空間，我們是無(wú)法直接去操作的。

內(nèi)核信號(hào)量的使用例程

場(chǎng)景1

在驅(qū)動(dòng)程序中，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)相同的資源時(shí)（驅(qū)動(dòng)中的全局變量時(shí)一種典型的共享資源），可能會(huì)引發(fā)“競(jìng)態(tài)“，因此我們必須對(duì)共享資源進(jìn)行并發(fā)控制。Linux內(nèi)核中

解決并發(fā)控制的最常用方法是自旋鎖與信號(hào)量（絕大多數(shù)時(shí)候作為互斥鎖使用）。

場(chǎng)景2

有時(shí)候我們希望設(shè)備只能被一個(gè)進(jìn)程打開，當(dāng)設(shè)備被占用的時(shí)候，其他設(shè)備必須進(jìn)入休眠。

信號(hào)處理示意圖

如上圖：

1. 進(jìn)程A首先通過(guò)open（）打開設(shè)備文件，調(diào)用到內(nèi)核的hello_open（），并調(diào)用down_interruptible（），因?yàn)榇藭r(shí)信號(hào)量沒(méi)有被占用，所以進(jìn)程A可以獲得信號(hào)量；

2. 進(jìn)程A獲得信號(hào)量之后繼續(xù)處理原有任務(wù)，此時(shí)進(jìn)程B也要通過(guò)open（）打開設(shè)備文件，同樣調(diào)用內(nèi)核函數(shù)hello_open(),但此時(shí)信號(hào)量獲取不到，于是進(jìn)程B被阻塞；

3. 進(jìn)程A任務(wù)執(zhí)行完畢，關(guān)閉設(shè)備文件，并通過(guò)up（）釋放信號(hào)量，于是進(jìn)程B被喚醒，并得以繼續(xù)執(zhí)行剩下的任務(wù)，

4. 進(jìn)程B執(zhí)行完任務(wù)，釋放設(shè)備文件，通過(guò)up()釋放信號(hào)量

代碼如下：

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/semaphore.h>

static int major = 250;
static int minor = 0;
static dev_t devno;
static struct cdev cdev;


static struct class *cls;
static struct device *test_device;

static struct semaphore sem;
static int hello_open (struct inode *inode, struct file *filep)
{
    
    if(down_interruptible(&sem))//p
    {
        return -ERESTARTSYS;
    }
      return 0;
}
static int hello_release (struct inode *inode, struct file *filep)
{
    up(&sem);//v
    return 0;
}
static struct file_operations hello_ops =
{
    .open = hello_open,
    .release = hello_release,
};
static int hello_init(void)
{
    int result;
    int error;    
    printk("hello_init \n");
    result = register_chrdev( major, "hello", &hello_ops);
    if(result < 0)
    {
        printk("register_chrdev fail \n");
        return result;
    }
    devno = MKDEV(major,minor);
    cls = class_create(THIS_MODULE,"helloclass");
    if(IS_ERR(cls))
    {
        unregister_chrdev(major,"hello");
        return result;
    }
    test_device = device_create(cls,NULL,devno,NULL,"test");
    if(IS_ERR(test_device ))
    {
        class_destroy(cls);
        unregister_chrdev(major,"hello");
        return result;
    }
    sem_init(&sem,1);
    return 0;
}
static void hello_exit(void)
{
    printk("hello_exit \n");
    device_destroy(cls,devno);    
    class_destroy(cls);
    unregister_chrdev(major,"hello");
    return;
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("daniel.peng")；

測(cè)試程序 test.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
main()
{
    int fd;
    
    printf("before open\n ");    
    fd = open("/dev/test",O_RDWR);  //原子變量  0
    if(fd<0)
    {
        perror("open fail \n");
        return;
    }
    printf("open ok ,sleep......\n ");    
    sleep(20);
    printf("wake up from sleep!\n ");        
    close(fd);   //加為1
}

編譯步驟

1 make 生成 hello.ko

2 gcc test.c -o a

3 gcc test.c -o b

測(cè)試步驟

1. 安裝驅(qū)動(dòng)

insmod hello.ko

2. 先運(yùn)行進(jìn)程A，在運(yùn)行進(jìn)程B

可見(jiàn)進(jìn)程A成功打開設(shè)備，在進(jìn)程A sleep期間會(huì)一直占有該字符設(shè)備，進(jìn)程B由于無(wú)法獲得信號(hào)量，進(jìn)入休閑，結(jié)合代碼可知，進(jìn)程B被阻塞在函數(shù)open()中。

3. 進(jìn)程A 結(jié)束了sleep，并釋放字符設(shè)備以及信號(hào)量，進(jìn)程B被喚醒獲得信號(hào)量，并成功打開了字符設(shè)備。

4. 進(jìn)程B執(zhí)行完sleep函數(shù)后退出，并釋放字符設(shè)備和信號(hào)量。

讀-寫信號(hào)量

跟自旋鎖一樣，信號(hào)量也有區(qū)分讀-寫信號(hào)量之分。

如果一個(gè)讀寫信號(hào)量當(dāng)前沒(méi)有被寫者擁有并且也沒(méi)有寫者等待讀者釋放信號(hào)量，那么任何讀者都可以成功獲得該讀寫信號(hào)量；否則，讀者必須被掛起直到寫者釋放該信號(hào)量。如果一個(gè)讀寫信號(hào)量當(dāng)前沒(méi)有被讀者或?qū)懻邠碛胁⑶乙矝](méi)有寫者等待該信號(hào)量，那么一個(gè)寫者可以成功獲得該讀寫信號(hào)量，否則寫者將被掛起，直到?jīng)]有任何訪問(wèn)者。因此，寫者是排他性的，獨(dú)占性的。

讀寫信號(hào)量有兩種實(shí)現(xiàn)，一種是通用的，不依賴于硬件架構(gòu)，因此，增加新的架構(gòu)不需要重新實(shí)現(xiàn)它，但缺點(diǎn)是性能低，獲得和釋放讀寫信號(hào)量的開銷大；另一種是架構(gòu)相關(guān)的，因此性能高，獲取和釋放讀寫信號(hào)量的開銷小，但增加新的架構(gòu)需要重新實(shí)現(xiàn)。在內(nèi)核配置時(shí)，可以通過(guò)選項(xiàng)去控制使用哪一種實(shí)現(xiàn)。

讀寫信號(hào)量的相關(guān)API：

DECLARE_RWSEM(name)

該宏聲明一個(gè)讀寫信號(hào)量name并對(duì)其進(jìn)行初始化。

void init_rwsem(struct rw_semaphore *sem);

該函數(shù)對(duì)讀寫信號(hào)量sem進(jìn)行初始化。

void down_read(struct rw_semaphore *sem);

讀者調(diào)用該函數(shù)來(lái)得到讀寫信號(hào)量sem。該函數(shù)會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因此只能在進(jìn)程上下文使用。

int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem);

該函數(shù)類似于down_read，只是它不會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠。它盡力得到讀寫信號(hào)量sem，如果能夠立即得到，它就得到該讀寫信號(hào)量，并且返回1，否則表示不能立刻得到該信號(hào)量，返回0。因此，它也可以在中斷上下文使用。

void down_write(struct rw_semaphore *sem);

寫者使用該函數(shù)來(lái)得到讀寫信號(hào)量sem，它也會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因此只能在進(jìn)程上下文使用。

int down_write_trylock(struct rw_semaphore *sem);

該函數(shù)類似于down_write，只是它不會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠。該函數(shù)盡力得到讀寫信號(hào)量，如果能夠立刻獲得，就獲得該讀寫信號(hào)量并且返回1，否則表示無(wú)法立刻獲得，返回0。它可以在中斷上下文使用。

void up_read(struct rw_semaphore *sem);

讀者使用該函數(shù)釋放讀寫信號(hào)量sem。它與down_read或down_read_trylock配對(duì)使用。

如果down_read_trylock返回0，不需要調(diào)用up_read來(lái)釋放讀寫信號(hào)量，因?yàn)楦揪蜎](méi)有獲得信號(hào)量。

void up_write(struct rw_semaphore *sem);

寫者調(diào)用該函數(shù)釋放信號(hào)量sem。它與down_write或down_write_trylock配對(duì)使用。如果down_write_trylock返回0，不需要調(diào)用up_write，因?yàn)榉祷?表示沒(méi)有獲得該讀寫信號(hào)量。

void downgrade_write(struct rw_semaphore *sem);

該函數(shù)用于把寫者降級(jí)為讀者，這有時(shí)是必要的。因?yàn)閷懻呤桥潘缘模虼嗽趯懻弑３肿x寫信號(hào)量期間，任何讀者或?qū)懻叨紝o(wú)法訪問(wèn)該讀寫信號(hào)量保護(hù)的共享資源，對(duì)于那些當(dāng)前條件下不需要寫訪問(wèn)的寫者，降級(jí)為讀者將，使得等待訪問(wèn)的讀者能夠立刻訪問(wèn)，從而增加了并發(fā)性，提高了效率。

讀寫信號(hào)量適于在讀多寫少的情況下使用，在linux內(nèi)核中對(duì)進(jìn)程的內(nèi)存映像描述結(jié)構(gòu)的訪問(wèn)就使用了讀寫信號(hào)量進(jìn)行保護(hù)。

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