標(biāo)題: Linux內(nèi)核的同步機(jī)制之四－－信號量 [打印本頁]
作者: 51黑tt 時間: 2016-3-5 23:39
標(biāo)題: Linux內(nèi)核的同步機(jī)制之四－－信號量
信號量（semaphore） Linux內(nèi)核的信號量在概念和原理上與用戶態(tài)的System V的IPC機(jī)制信號量是一樣的，但是它絕不可能在內(nèi)核之外使用，它是一種睡眠鎖。如果有一個任務(wù)想要獲得已經(jīng)被占用的信號量時，信號量會將其放入一個等待隊列（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)隊列中）然后讓其睡眠。當(dāng)持有信號量的進(jìn)程將信號釋放后，處于等待隊列中的一個任務(wù)將被喚醒（因?yàn)殛犃兄锌赡懿恢挂粋�任務(wù)），并讓其獲得信號量。這一點(diǎn)與自旋鎖不同，處理器可以去執(zhí)行其它代碼。
它與自旋鎖的差異：由于爭用信號量的進(jìn)程在等待鎖重新變?yōu)榭捎脮r會睡眠，所以信號量適用于鎖會被長時間持有的情況；相反，鎖被短時間持有時，使用信號量就不太適宜了，因?yàn)樗摺⒕S護(hù)等待隊列以及喚醒所花費(fèi)的開銷可能比鎖占用的全部時間表還要長；由于執(zhí)行線程在鎖被爭用時會睡眠，所以只能在進(jìn)程上下文中才能獲得信號量鎖，因?yàn)樵谥袛嗌舷挛闹惺遣荒苓M(jìn)行調(diào)試的；持有信號量的進(jìn)行也可以去睡眠，當(dāng)然也可以不睡眠，因?yàn)楫?dāng)其他進(jìn)程爭用信號量時不會因此而死鎖；不能同時占用信號量和自旋鎖，因?yàn)樽孕i不可以睡眠而信號量鎖可以睡眠。相對而來說信號量比較簡單，它不會禁止內(nèi)核搶占，持有信號量的代碼可以被搶占。
信號量還有一個特征，就是它允許多個持有者，而自旋鎖在任何時候只能允許一個持有者。當(dāng)然我們經(jīng)常遇到也是只有一個持有者，這種信號量叫二值信號量或者叫互斥信號量。允許有多個持有者的信號量叫計數(shù)信號量，在初始化時要說明最多允許有多少個持有者（Count值）
信號量在創(chuàng)建時需要設(shè)置一個初始值，表示同時可以有幾個任務(wù)可以訪問該信號量保護(hù)的共享資源，初始值為1就變成互斥鎖（Mutex），即同時只能有一個任務(wù)可以訪問信號量保護(hù)的共享資源。
當(dāng)任務(wù)訪問完被信號量保護(hù)的共享資源后，必須釋放信號量，釋放信號量通過把信號量的值加1實(shí)現(xiàn)，如果信號量的值為非正數(shù)，表明有任務(wù)等待當(dāng)前信號量，因此它也喚醒所有等待該信號量的任務(wù)。
信號量的實(shí)現(xiàn)也是與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的，定義在<asm/semaphore.h>
中，struct semaphore
類型用來表示信號量。可以通過以下方式表態(tài)聲明信號量： Static DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name,count);//count最在持有數(shù)
聲明互斥信號量的快捷方法：
Static DECLARE_MUTEX(name);
信號量的API有：
DECLARE_MUTEX(name)
該宏聲明一個信號量name并初始化它的值為0，即聲明一個互斥鎖。
DECLARE_MUTEX_LOCKED(name)
該宏聲明一個互斥鎖name，但把它的初始值設(shè)置為0，即鎖在創(chuàng)建時就處在已鎖狀態(tài)。因此對于這種鎖，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)置信號量的初值，它設(shè)置信號量sem的值為val。
void init_MUTEX (struct semaphore *sem);
該函數(shù)用于初始化一個互斥鎖，即它把信號量sem的值設(shè)置為1。
void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem);
該函數(shù)也用于初始化一個互斥鎖，但它把信號量sem的值設(shè)置為0，即一開始就處在已鎖狀態(tài)。
void down(struct semaphore * sem);
該函數(shù)用于獲得信號量sem，它會導(dǎo)致睡眠，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)釋放該信號量才能繼續(xù)運(yùn)行。
int down_interruptible(struct semaphore * sem);
該函數(shù)功能與down類似，不同之處為，down不會被信號（signal）打斷，但down_interruptible能被信號打斷，因此該函數(shù)有返回值來區(qū)分是正常返回還是被信號中斷，如果返回0，表示獲得信號量正常返回，如果被信號打斷，返回-EINTR。
int down_trylock(struct semaphore * sem);
該函數(shù)試著獲得信號量sem，如果能夠立刻獲得，它就獲得該信號量并返回0，否則，表示不能獲得信號量sem，返回值為非0值。因此，它不會導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，可以在中斷上下文使用。
void up(struct semaphore * sem);
該函數(shù)釋放信號量sem，即把sem的值加1，如果sem的值為非正數(shù)，表明有任務(wù)等待該信號量，因此喚醒這些等待者。
跟自旋鎖一樣，信號量也有區(qū)分讀-寫信號量之分
如果一個讀寫信號量當(dāng)前沒有被寫者擁有并且也沒有寫者等待讀者釋放信號量，那么任何讀者都可以成功獲得該讀寫信號量；否則，讀者必須被掛起直到寫者釋放該信號量。如果一個讀寫信號量當(dāng)前沒有被讀者或?qū)懻邠碛胁⑶乙矝]有寫者等待該信號量，那么一個寫者可以成功獲得該讀寫信號量，否則寫者將被掛起，直到?jīng)]有任何訪問者。因此，寫者是排他性的，獨(dú)占性的。
讀寫信號量有兩種實(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，可以通過選項去控制使用哪一種實(shí)現(xiàn)。
讀寫信號量的相關(guān)API有：
DECLARE_RWSEM(name)
該宏聲明一個讀寫信號量name并對其進(jìn)行初始化。
void init_rwsem(struct rw_semaphore *sem);
該函數(shù)對讀寫信號量sem進(jìn)行初始化。
void down_read(struct rw_semaphore *sem);
讀者調(diào)用該函數(shù)來得到讀寫信號量sem。該函數(shù)會導(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，只是它不會導(dǎo)致調(diào)用者睡眠。它盡力得到讀寫信號量sem，如果能夠立即得到，它就得到該讀寫信號量，并且返回1，否則表示不能立刻得到該信號量，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)來得到讀寫信號量sem，它也會導(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，只是它不會導(dǎo)致調(diào)用者睡眠。該函數(shù)盡力得到讀寫信號量，如果能夠立刻獲得，就獲得該讀寫信號量并且返回1，否則表示無法立刻獲得，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)釋放讀寫信號量sem。它與down_read或down_read_trylock配對使用。如果down_read_trylock返回0，不需要調(diào)用up_read來釋放讀寫信號量，因?yàn)楦揪蜎]有獲得信號量。
void up_write(struct rw_semaphore *sem);
寫者調(diào)用該函數(shù)釋放信號量sem。它與down_write或down_write_trylock配對使用。如果down_write_trylock返回0，不需要調(diào)用up_write，因?yàn)榉祷?/font>0表示沒有獲得該讀寫信號量。
void downgrade_write(struct rw_semaphore *sem);
該函數(shù)用于把寫者降級為讀者，這有時是必要的。因?yàn)閷懻呤桥潘缘模虼嗽趯懻弑３肿x寫信號量期間，任何讀者或?qū)懻叨紝o法訪問該讀寫信號量保護(hù)的共享資源，對于那些當(dāng)前條件下不需要寫訪問的寫者，降級為讀者將，使得等待訪問的讀者能夠立刻訪問，從而增加了并發(fā)性，提高了效率。
讀寫信號量適于在讀多寫少的情況下使用，在linux內(nèi)核中對進(jìn)程的內(nèi)存映像描述結(jié)構(gòu)的訪問就使用了讀寫信號量進(jìn)行保護(hù)。
究竟什么時候使用自旋鎖什么時候使用信號量，下面給出建議的方案
當(dāng)對低開銷、短期、中斷上下文加鎖，優(yōu)先考慮自旋鎖；當(dāng)對長期、持有鎖需要休眠的任務(wù)，優(yōu)先考慮信號量。
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