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標(biāo)題: Linux內(nèi)核的同步機(jī)制之四－－信號(hào)量 [打印本頁(yè)]

作者: 51黑tt 時(shí)間: 2016-3-5 23:39
標(biāo)題: Linux內(nèi)核的同步機(jī)制之四－－信號(hào)量
信號(hào)量（semaphore）

Linux內(nèi)核的信號(hào)量在概念和原理上與用戶態(tài)的System V的IPC機(jī)制信號(hào)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(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(xiě)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。

它與自旋鎖的差異：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(kāi)銷(xiāo)可能比鎖占用的全部時(shí)間表還要長(zhǎng)；由于執(zhí)行線程在鎖被爭(zhēng)用時(shí)會(huì)睡眠，所以只能在進(jìn)程上下文中才能獲得信號(hào)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(hào)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(zhēng)用信號(hào)量時(shí)不會(huì)因此而死鎖；不能同時(shí)占用信號(hào)量和自旋鎖，因?yàn)樽孕i不可以睡眠而信號(hào)量鎖可以睡眠。相對(duì)而來(lái)說(shuō)信號(hào)量比較簡(jiǎn)單，它不會(huì)禁止內(nèi)核搶占，持有信號(hào)量的代碼可以被搶占。

信號(hào)量還有一個(gè)特征，就是它允許多個(gè)持有者，而自旋鎖在任何時(shí)候只能允許一個(gè)持有者。當(dāng)然我們經(jīng)常遇到也是只有一個(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。允許有多個(gè)持有者的信號(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（Count值）

信號(hào)量在創(chuàng)建時(shí)需要設(shè)置一個(gè)初始值，表示同時(shí)可以有幾個(gè)任務(wù)可以訪問(wèn)該信號(hào)量保護(hù)的共享資源，初始值為1就變成互斥鎖（Mutex），即同時(shí)只能有一個(gè)任務(wù)可以訪問(wèn)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，因此它也喚醒所有等待該信號(hào)量的任務(wù)。

信號(hào)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(lèi)型用來(lái)表示信號(hào)量。可以通過(guò)以下方式表態(tài)聲明信號(hào)量：

Static DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name,count);//count最在持有數(shù)

聲明互斥信號(hào)量的快捷方法：

Static DECLARE_MUTEX(name);

信號(hào)量的API有：

DECLARE_MUTEX(name)

該宏聲明一個(gè)信號(hào)量name并初始化它的值為0，即聲明一個(gè)互斥鎖。

DECLARE_MUTEX_LOCKED(name)

該宏聲明一個(gè)互斥鎖name，但把它的初始值設(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，它設(shè)置信號(hào)量sem的值為val。

void init_MUTEX (struct semaphore *sem);

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

void down(struct semaphore * sem);

該函數(shù)用于獲得信號(hào)量sem，它會(huì)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(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)功能與down類(lèi)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，如果能夠立刻獲得，它就獲得該信號(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，它不會(huì)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(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。

跟自旋鎖一樣，信號(hào)量也有區(qū)分讀-寫(xiě)信號(hào)量之分

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

讀寫(xiě)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(xiě)信號(hào)量的開(kāi)銷(xiāo)大；另一種是架構(gòu)相關(guān)的，因此性能高，獲取和釋放讀寫(xiě)信號(hào)量的開(kāi)銷(xiāo)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(xiě)信號(hào)量的相關(guān)API有：

DECLARE_RWSEM(name)

該宏聲明一個(gè)讀寫(xiě)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(xiě)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(xiě)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(lèi)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(xiě)信號(hào)量sem，如果能夠立即得到，它就得到該讀寫(xiě)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(xiě)者使用該函數(shù)來(lái)得到讀寫(xiě)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(lèi)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(xiě)信號(hào)量，如果能夠立刻獲得，就獲得該讀寫(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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?/font>0表示沒(méi)有獲得該讀寫(xiě)信號(hào)量。

void downgrade_write(struct rw_semaphore *sem);

該函數(shù)用于把寫(xiě)者降級(jí)為讀者，這有時(shí)是必要的。因?yàn)閷?xiě)者是排他性的，因此在寫(xiě)者保持讀寫(xiě)信號(hào)量期間，任何讀者或?qū)懻叨紝o(wú)法訪問(wèn)該讀寫(xiě)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(xiě)訪問(wèn)的寫(xiě)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(xiě)信號(hào)量適于在讀多寫(xiě)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(xiě)信號(hào)量進(jìn)行保護(hù)。

究竟什么時(shí)候使用自旋鎖什么時(shí)候使用信號(hào)量，下面給出建議的方案

當(dāng)對(duì)低開(kāi)銷(xiāo)、短期、中斷上下文加鎖，優(yōu)先考慮自旋鎖；當(dāng)對(duì)長(zhǎng)期、持有鎖需要休眠的任務(wù)，優(yōu)先考慮信號(hào)量。

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