linux驱动中的互斥途径四：信号量、完成量

时间：2022-08-09 15:18:38
semaphore
使用方法和自旋锁类似，与自旋锁相同，只有得到信号量的进程才能执行临界区代码，但是与自旋锁不同的是当获取不到信号量时，进程不原地打转而是进入休眠等待状态。

1. 函数：

声明变量 ：
struct semaphore sem;
快捷方式：
DECLARE_MUTEX(name) /* 定义一个名为name的信号量并初始化为1 */
DECLARE_MUTEX_LOCKED(name) /* 定义一个名为name的信号量并初始化为0 */
信号量的初始化 ：
void sema_init(struct semaphore *sem,int val);
参数：
sem，信号量
val，信号量的数量
信号量的获取 ： --相当于PV操作中的 P 操作
void down(struct semaphore *sem);  -->深度睡眠（没有资源时深度睡眠，无法被唤醒，只有资源来时才醒，是睡眠等待）
int down_interruptible(struct semaphore *sem);  -->可以被唤醒（浅睡）
int down_trylock(struct semaphore *sem); --> 如果能获得，获得，并返回0，否则，返回非0
if(down_interruptible(&sem))
return -ERESTARTSYS;

信号量的释放 ： --相当于PV操作中的 V 操作
void up(struct semaphore *sem);

2. 使用格式：

/* 定义信号量 */
DECLARE_MUTEX(mount_sem);
down(&mount_sem); /* 获取信号量，保护临界区 */
...
critical section /* 临界区 */
...
up(&mount_sem); /* 释放信号量 */

3. 例子：

使用信号量实现只能被一个进程打开：

static DECLARE_MUTEX(xxx_lock); /* 定义互斥锁 */
static int xxx_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    ...
    if(down_trylock(&xxx_lock)) /* 获取打开锁 */
        return -EBUSY; /* 设备忙 */
    ...
    return 0; /* 成功 */
}

static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    up(&xxx_lock); /* 释放打开锁 */
    return 0;
}

读和写实现互斥： 
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <linux/module.h>

MODULE_LICENSE ("GPL");

int hello_major = 250;
int hello_minor = 0;
int number_of_devices = 1;

struct hello_device
{
	char data[128];
	struct semaphore sem;
	struct cdev cdev;
} hello_device;

static int hello_open (struct inode *inode, struct file *file)
{
	printk (KERN_INFO "Hey! device opened\n");

	return 0;
}

static int hello_release (struct inode *inode, struct file *file)
{
	printk (KERN_INFO "Hmmm... device closed\n");

	return 0;
}

ssize_t hello_read (struct file *filp, char *buff, size_t count, loff_t *offp)
{
	ssize_t result = 0;

	if (count > 127) count = 127;

	if (down_interruptible(&hello_device.sem)) 
		return -EINTR;

	if (copy_to_user (buff, hello_device.data, count)) 
	{
		result = -EFAULT;
	}
	else
	{
		printk (KERN_INFO "wrote %d bytes\n", count);
		result = count;
	}
	up(&hello_device.sem);

	return result;
}

ssize_t hello_write (struct file *filp, const char  *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
	ssize_t ret = 0;

	if (count > 127) return -ENOMEM;
	
	if (down_interruptible(&hello_device.sem)) return -EINTR;

	if (copy_from_user (hello_device.data, buf, count)) {
		ret = -EFAULT;
	}
	else {
		hello_device.data[count] = '\0';
		printk (KERN_INFO"Received: %s\n", hello_device.data);
		ret = count;
	}
	up(&hello_device.sem);

	return ret;
}


struct file_operations hello_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open  = hello_open,
	.release = hello_release,
	.read  = hello_read,
	.write = hello_write
};

static void char_reg_setup_cdev (void)
{
	int error;
	dev_t devno;

	devno = MKDEV (hello_major, hello_minor);
	cdev_init (&hello_device.cdev, &hello_fops);
	hello_device.cdev.owner = THIS_MODULE;
	error = cdev_add (&hello_device.cdev, devno , 1);
	if (error)
		printk (KERN_NOTICE "Error %d adding char_reg_setup_cdev", error);
}

static int __init hello_2_init (void)
{
	int result;
	dev_t devno;

	devno = MKDEV (hello_major, hello_minor);
	result = register_chrdev_region (devno, number_of_devices, "hello");

	if (result < 0) {
		printk (KERN_WARNING "hello: can't get major number %d\n", hello_major);
		return result;
	}

	char_reg_setup_cdev ();
	//init_MUTEX(&hello_device.sem);  for version not more than 2.6.35
	sema_init(&hello_device.sem, 1);
	printk (KERN_INFO "char device registered\n");

	return 0;
}

static void __exit hello_2_exit (void)
{
	dev_t devno = MKDEV (hello_major, hello_minor);

	cdev_del (&hello_device.cdev);

	unregister_chrdev_region (devno, number_of_devices);
}

module_init (hello_2_init);
module_exit (hello_2_exit);

4. 信号量可以用于同步：

同步：一个执行单元的继续执行需要等待另一个执行单元完成某事，保证执行的顺序
步骤：
  1. 信号量被初始化为0
  2. 执行单元 A 中 down(&sem) (这里等待 B 中完成到 up()&sem)
  3. 执行单元 B 中 up(&sem)

5. 更好的实现同步的方法：完成量

一个执行单元等待另一个执行单元执行完某事：
函数如下：
定义：
struct completion my_completion;


初始化：

init_completion(&my_completion);


定义和初始化：
DECLARE_COMPLETION(my_completion);

等待完成量： -- 等待一个完成量的唤醒
void wait_for_compleition(struct completion *c);

唤醒完成量：
void complete(struct completion *c); --> 唤醒一个等待的执行单元
void complete_all(struct completion *c); --> 释放所有等待同一完成量的执行单元

使用方法：
前者只使唤一个等待的执行单元，后者释放所有等待统一完成量的执行单元

6. 读写信号量：

读写信号量可能引起进程阻塞，它允许 N 个读执行单元同时访问共享资源，最多只能有 1 个写执行单元
函数如下：
读写信号量定义和初始化：

struct rw_semaphore my_rws; /* 定义 */
void init_rwsem(struct rw_semaphone *sem); /* 初始化 */

读信号获取：

void down_read(struct rw_semaphore *sem);

int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem);

读信号量释放：

void up_read(struct rw_semaphore *sem);

写信号量获取：

void down_write(struct rw_semaphore *sem);

int down_write_trylock(struct rw_semaphore *sem);

写信号量释放：
void up_write(struct rw_semaphore *sem);

使用格式：
rw_semaphore rw_sem;
init_rwsem(&rw_sem);

/* 读时获取信号 */

down_read(&rw_sem);

...

up_read(&rw_sem);


/* 写时获取信号 */

down_write(&rw_sem);

...

up_write(&rw_sem);


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