《Linux设备驱动开发详解》-- 信号量的使用(semaphore)

信号（semaphore） 是用于保护临界区的一种常用方法， 它的使用方式和自旋锁类似。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，当获取不到信号时，进程不会原地打转而是进入休眠等待状态。
Linux 系统中与信号量相关的操作主要有如下 4 种。
1 定义信号量
下列代码定义名称为 sem 的信号量。

struct semaphore sem;

2 初始化信号量
void sema_init (struct semaphore *sem, int val); 

该函数初始化信号量，并设置信号量 sem 的值为 val。尽管信号可以被初始化为大于 1 的值从而成为一个计数信号量，但是它通常不被这样使用。

void init_MUTEX(struct semaphore *sem); 
该函数用于初始化一个用于互斥的信号量，它把信号量 sem 的值设置为 1，等同于

sema_init (struct semaphore *sem, 1)。

void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem); 
该函数也用于初始化一个信号量，但它把信号量 sem 的值设置为 0，等同于

sema_init (struct semaphore *sem, 0)。

此外，下面两个宏是定义并初始化信号量的“快捷方式 。
DECLARE_MUTEX(name)
DECLARE_MUTEX_LOCKED(name) 

前者定义一个名为 name 的信号量并初始化为 1，后者定义一个名为 name 的信号量并初始化为 0。

3 获得信号量
void down(struct semaphore * sem); 

该函数用于获得信号量 sem，它会导致睡眠，因此不能在中断上下文使用。

int down_interruptible(struct semaphore * sem);

该函数功能与 down()类似， 不同之处为， 因为 down()而进入睡眠状态的进程不能被信号打断，而因为 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，这时候函数的返回值非 0。

int down_trylock(struct semaphore * sem); 
该函数尝试获得信号量 sem，如果能够立刻获得，它就获得该信号量并返回 0，否则，返回非 0 值。它不会导致调用者睡眠，可以在中断上下文使用。
在使用 down_interruptible()获取信号时，对返回值一般会进行检查，如果非 0，通常立即返回-EREST ARTSYS，如：
if (down_interruptible(&sem)) 
{ 
return    - ERESTARTSYS; 

}

4 释放信号量
void up(struct semaphore * sem); 
该函数释放信号量 sem，唤醒等待者。
信号量一般这样被使用，如下所示：

//定义号量DECLARE_MUTEX(mount_sem); down(&mount_sem);//获取号量，保护临界区... critical section //临界区... up(&mount_sem);//释放号量

代码清单 7.3 给出了使用信号量实现设备只能被一个进程打开的例子，等同于代码清单 7.1 和代码清单 7.2。
代码清单 7.3  使用信号量实现设备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))  //获得打开锁        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;}

7.5.2  信号量用于同步
如果信号被初始化为 0，则它可以用于同步，同步意味着一个执行单元的继续执行需等待另一执行单元完成某事，保证执行的先后顺序。如图 7.4 所示，执行单元A 执行代码区域 b 之前，必须等待执行单元 B 执行完代码单元 c，信号可辅助这一同步过程。 

图 7.4 信号量用于同步

7.5.3  完成量用于同步
Linux 系统提供了一种比信号更好的同步机制， 即完成（completion， 关于这个名词， 至今没有好的翻译， 笔者将其译为 “完成量”） ， 它用于一个执行单元等待另一个执行单元执行完某事。
Linux 系统中与 completion 相关的操作主要有以下 4 种。
1 定义完成量
下列代码定义名为 my_completion 的完成量。
struct completion my_completion; 
2 初始化 completion 
下列代码初始化 my_completion 这个完成量。
init_completion(&my_completion); 
对 my_completion 的定义和初始化可以通过如下快捷方式实现。
DECLARE_COMPLETION(my_completion); 
3 等待完成量
下列函数用于等待一个 completion 被唤醒。
void wait_for_completion(struct completion *c); 
4 唤醒完成量
下面两个函数用于唤醒完成量。
void complete(struct completion *c); 
void complete_all(struct completion *c); 
前者只唤醒一个等待的执行单元，后者释放所有等待同一完成量的执行单元。
图 7.5 描述了使用完成量实现的同步功能

图 7.5 完成量用于同步

7.5.4  自旋锁 vs 信号量
自旋锁和信号量都是解决互斥问题的基本手段，面对特定的情况，应该如何进行选择呢？选择的依据是临界区的性质和系统的特点。
从严格意义上说，信号量和自旋锁属于不同层次的互斥手段，前者的实现依赖于后者。在信号量本身的实现上，为了保证信号量结构存取的原子性，在多CPU 中需要自旋锁来互斥。
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，但是该内核执行路径是以进程的身份，代表进程来争夺资源的。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也很大，因此，只有当进程占用资源时间较长时，用信号量才是较好的选择。
当所要保护的临界区访问时间比较短时，用自旋锁是非常方便的，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里长时间停留，否则会降低系统的效率。
由此，可以总结出自旋锁和信号量选用的 3 项原则。
l  当锁不能被获取时，使用信号量的开销是进程上下文切换时间 Tsw，使用自旋锁的开销是等待获取自旋锁 （由临界区执行时间决定） Tcs， 若 Tcs 比较小，应使用自旋锁，若 Tcs 很大，应使用信号量。
l  信号所保护的临界区可包含可能引起阻塞的代码， 而自旋锁则绝对要避免用来保护包含这样代码的临界区。因为阻塞意味着要进行进程的切换，如果进程被切换出去后，另一个进程企图获取本自旋锁，死锁就会发生。
l  信号存在于进程上下文，因此，如果被保护的共享资源需要在中断或软中断情况下使用，则在信号量和自旋锁之间只能选择自旋锁。当然，如果一定要使用信号量，则只能通过 down_trylock()方式进行，不能获取就立即返回以避免阻塞。

7.5.5  读写信号量
读写信号与信号量的关系与读写自旋锁和自旋锁的关系类似，读写信号可能引起进程阻塞， 但它可允许 N 个读执行单元同时访问共享资源， 而最多只能有一个写执行单元。因此，读写信号量是一种相对放宽条件的粒度稍大于信号量的互斥机制。
读写自旋锁涉及的操作包括如下 5 种。
1 定义和初始化读写信号量
struct rw_semaphore my_rws;    /*定义读写号量*/ 
void init_rwsem(struct rw_semaphore *sem);    /*初始化读写号量*/ 
2 读信号量获取
void down_read(struct rw_semaphore *sem); 
int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem); 
3 读信号量释放
void up_read(struct rw_semaphore *sem); 
4 写信号量获取
void down_write(struct rw_semaphore *sem); 
int down_write_trylock(struct rw_semaphore *sem); 
5 写信号量释放
void up_write(struct rw_semaphore *sem); 
读写信号量一般这样被使用，如下所示：

rw_semaphore rw_sem;    //定义读写号量init_rwsem(&rw_sem); //初始化读写号量//读时获取号量down_read(&rw_sem); ...    //临界资源up_read(&rw_sem); //写时获取号量down_write(&rw_sem); ... //临界资源up_write(&rw_sem);