内核信号量 semaphore

信号量

信号量又称为信号灯，它是用来协调不同进程间的数据对象的，而最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。一般说来，为了获得共享资源，进程需要执行下列操作：
　　 （1） 测试控制该资源的信号量。
　　 （2） 若此信号量的值为正，则允许进行使用该资源。进程将信号量减1。
　　 （3） 若此信号量为0，则该资源目前不可用，进程进入睡眠状态，直至信号量值大于0，进程被唤醒，转入步骤（1）。
　　 （4） 当进程不再使用一个信号量控制的资源时，信号量值加1。如果此时有进程正在睡眠等待此信号量，则唤醒此进程。
　 　维护信号量状态的是Linux内核操作系统而不是用户进程。我们可以从头文件/usr/src/linux/include/linux/sem.h 中看到内核用来维护信号量状态的各个结构的定义。信号量是一个数据集合，用户可以单独使用这一集合的每个元素。要调用的第一个函数是semget，用以获得一个信号量ID。Linux2.6.26下定义的信号量结构体：

struct semaphore {
spinlock_t lock;
unsigned int count;
struct list_head wait_list;
};
从以上信号量的定义中，可以看到信号量底层使用到了spin lock的锁定机制，这个spinlock主要用来确保对count成员的原子性的操作(count--)和测试(count > 0)。

1.信号量的P操作：

(1).void down(struct semaphore *sem);

(2).int down_interruptible(struct semaphore *sem);

(3).int down_trylock(struct semaphore *sem);

说明：

(1)中的函数根据2.6.26中的代码注释，这个函数已经out了(Use of this function is deprecated)，所以从实用角度，彻底忘了它吧。

(2)最常用，函数原型

int down_interruptible(struct semaphore *sem)
{
unsigned
{
unsigned long flags;

int result = 0;

spin_lock_irqsave(

spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);

if (likely(sem->count > 0))
sem
sem->count--;

else
result = __down_interruptible(sem);
spin_unlock_irqrestore(
spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);



return result;
}
}

对此函数的理解：在保证原子操作的前提下，先测试count是否大于0，如果是说明可以获得信号量，这种情况下需要先将count--，以确保别的进程能否获得该信号量，然后函数返回，其调用者开始进入临界区。如果没有获得信号量，当前进程利用struct semaphore 中wait_list加入等待队列，开始睡眠。

对于需要休眠的情况，在__down_interruptible()函数中，会构造一个struct semaphore_waiter类型的变量（struct semaphore_waiter定义如下：

struct semaphore_waiter
{

{
struct list_head list;

struct task_struct *task;

int up;
};
};
），将当前进程赋给task，并利用其list成员将该变量的节点加入到以sem中的wait_list为头部的一个列表中，假设有多个进程在sem上调用down_interruptible，则sem的wait_list上形成的队列如下图：



(注：将一个进程阻塞，一般的经过是先把进程放到等待队列中，接着改变进程的状态，比如设为TASK_INTERRUPTIBLE，然后调用调度函数schedule()，后者将会把当前进程从cpu的运行队列中摘下)

(3)试图去获得一个信号量，如果没有获得，函数立刻返回1而不会让当前进程进入睡眠状态。



2.信号量的V操作

void up(struct semaphore *sem)；

原型如下：

void up(struct semaphore *sem)
{
unsigned
{
unsigned long flags;

spin_lock_irqsave(

spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);

if (likely(list_empty(&sem->wait_list)))
sem
sem->count++;

else
__up(sem);
spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}
}

如果没有其他线程等待在目前即将释放的信号量上，那么只需将count++即可。如果有其他线程正因为等待该信号量而睡眠，那么调用__up.

__up的定义：


static noinline void __sched __up(struct semaphore *sem)
{

{
struct semaphore_waiter *waiter = list_first_entry(&sem->wait_list, struct semaphore_waiter, list);
list_del(
list_del(&waiter->list);
waiter
waiter->up = 1;
wake_up_process(waiter
wake_up_process(waiter->task);
}
}

这个函数首先获得sem所在的wait_list为头部的链表的第一个有效节点，然后从链表中将其删除，然后唤醒该节点上睡眠的进程。

由此可见，对于sem上的每次down_interruptible调用，都会在sem的wait_list链表尾部加入一新的节点。对于sem上的每次up调用，都会删除掉wait_list链表中的第一个有效节点，并唤醒睡眠在该节点上的进程。