linux内核信号量

比眉伴天荒 2022-06-15 07:06 201阅读 0赞

> 用户态的信号量：  
> System V 信号量  
> Posix 信号量

信号量是用于保护临界区的一种常用方法。它的使用和自旋锁类似。相同的是，只有得到信号量的进程才能执行临界区代码；不同的是，当获取不到信号量时，进程不会原地打转而是进入睡眠等待状态

**定义**

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

**初始化**

#define DECLARE_MUTEX(name) \
        struct semaphore name = __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, 1)
    
    static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val)
    {
        static struct lock_class_key __key;
        *sem = (struct semaphore) __SEMAPHORE_INITIALIZER(*sem, val);
        lockdep_init_map(&sem->lock.dep_map, "semaphore->lock", &__key, 0);
    }
    
    #define init_MUTEX(sem) sema_init(sem, 1)
    #define init_MUTEX_LOCKED(sem) sema_init(sem, 0)

> sema\_init：设置信号量sem的值为val  
> init\_MUTEX：初始化为互斥信号量（sem的值为1）  
> init\_MUTEX\_LOCKED：初始化为互斥信号量（sem的值为0）

**获取**

extern void down(struct semaphore *sem);
    extern int __must_check down_interruptible(struct semaphore *sem);
    extern int __must_check down_killable(struct semaphore *sem);
    extern int __must_check down_trylock(struct semaphore *sem);
    extern int __must_check down_timeout(struct semaphore *sem, long jiffies);

> down：会导致睡眠，因此不能在中断上下文使用  
> down\_interruptible：因为down而进入睡眠的进程不能被信号打断，但因为down\_interruptible而进入睡眠状态的进程能被信号打断，信号也会导致该函数返回，这时候函数返回非0  
> down\_trylock：尝试获取信号量sem，如果能立即获得，它就获取该信号量并返回0，否则，返回非0。它不会导致调用者睡眠，可以在中断上下文使用

**释放**

extern void up(struct semaphore *sem);

释放信号量sem，唤醒等待者

**举例**

DECLARE_MUTEX(sem);
    down(&sem);
    ...
    critical section
    ...
    up(&sem);

**自旋锁vs信号量**  
信号量是进程级的，用于多个进程之间对资源的互斥，虽然也是在内核中，但是内核执行是以进程的身份，代表进程来争夺资源。如果竞争失败，会发生进程上下文切换，当前进程进入睡眠状态，CPU将运行其他进程。鉴于进程上下文切换的开销很大，只有当进程占用资源时间较长时，用信号量才是好的选择  
当所要保护的临界区访问比较短时，用自旋锁更方便，因为它节省上下文切换的时间。但是CPU得不到自旋锁会在那里空转直到其他执行单元解锁为止，所以要求锁不能在临界区长时间保留，否则会降低系统的效率

*注*：读写信号量待补充