Linux信号量

Posted 2023-02-20

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux信号量相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

参考技术A

信号量是包含一个非负整数型的变量，并且带有两个原子操作wait和signal。Wait还可以被称为down、P或lock，signal还可以被称为up、V、unlock或post。在UNIX的API中（POSIX标准）用的是wait和post。

对于wait操作，如果信号量的非负整形变量S大于0，wait就将其减1，如果S等于0，wait就将调用线程阻塞；对于post操作，如果有线程在信号量上阻塞（此时S等于0），post就会解除对某个等待线程的阻塞，使其从wait中返回，如果没有线程阻塞在信号量上，post就将S加1.

由此可见，S可以被理解为一种资源的数量，信号量即是通过控制这种资源的分配来实现互斥和同步的。如果把S设为1，那么信号量即可使多线程并发运行。另外，信号量不仅允许使用者申请和释放资源，而且还允许使用者创造资源，这就赋予了信号量实现同步的功能。可见信号量的功能要比互斥量丰富许多。

POSIX信号量是一个sem_t类型的变量，但POSIX有两种信号量的实现机制： 无名信号量 和 命名信号量 。无名信号量只可以在共享内存的情况下，比如实现进程中各个线程之间的互斥和同步，因此无名信号量也被称作基于内存的信号量；命名信号量通常用于不共享内存的情况下，比如进程间通信。

同时，在创建信号量时，根据信号量取值的不同，POSIX信号量还可以分为：

下面是POSIX信号量函数接口：

信号量的函数都以sem_开头，线程中使用的基本信号函数有4个，他们都声明在头文件semaphore.h中，该头文件定义了用于信号量操作的sem_t类型：

【sem_init函数】：

该函数用于创建信号量，原型如下：

该函数初始化由sem指向的信号对象，设置它的共享选项，并给它一个初始的整数值。pshared控制信号量的类型，如果其值为0，就表示信号量是当前进程的局部信号量，否则信号量就可以在多个进程间共享，value为sem的初始值。

该函数调用成功返回0，失败返回-1。

【sem_destroy函数】：

该函数用于对用完的信号量进行清理，其原型如下：

成功返回0，失败返回-1。

【sem_wait函数】：

该函数用于以原子操作的方式将信号量的值减1。原子操作就是，如果两个线程企图同时给一个信号量加1或减1，它们之间不会互相干扰。其原型如下：

sem指向的对象是sem_init调用初始化的信号量。调用成功返回0，失败返回-1。

sem_trywait()则是sem_wait()的非阻塞版本，当条件不满足时（信号量为0时），该函数直接返回EAGAIN错误而不会阻塞等待。

sem_timedwait()功能与sem_wait()类似，只是在指定的abs_timeout时间内等待，超过时间则直接返回ETIMEDOUT错误。

【sem_post函数】：

该函数用于以原子操作的方式将信号量的值加1，其原型如下：

与sem_wait一样，sem指向的对象是由sem_init调用初始化的信号量。调用成功时返回0，失败返回-1。

【sem_getvalue函数】：

该函数返回当前信号量的值，通过restrict输出参数返回。如果当前信号量已经上锁（即同步对象不可用），那么返回值为0，或为负数，其绝对值就是等待该信号量解锁的线程数。

【实例1】：

【实例2】：

之所以称为命名信号量，是因为它有一个名字、一个用户ID、一个组ID和权限。这些是提供给不共享内存的那些进程使用命名信号量的接口。命名信号量的名字是一个遵守路径名构造规则的字符串。

【sem_open函数】：

该函数用于创建或打开一个命名信号量，其原型如下：

参数name是一个标识信号量的字符串。参数oflag用来确定是创建信号量还是连接已有的信号量。

oflag的参数可以为0，O_CREAT或O_EXCL：如果为0，表示打开一个已存在的信号量；如果为O_CREAT，表示如果信号量不存在就创建一个信号量，如果存在则打开被返回，此时mode和value都需要指定；如果为O_CREAT|O_EXCL，表示如果信号量存在则返回错误。

mode参数用于创建信号量时指定信号量的权限位，和open函数一样，包括：S_IRUSR、S_IWUSR、S_IRGRP、S_IWGRP、S_IROTH、S_IWOTH。

value表示创建信号量时，信号量的初始值。

【sem_close函数】：

该函数用于关闭命名信号量：

单个程序可以用sem_close函数关闭命名信号量，但是这样做并不能将信号量从系统中删除，因为命名信号量在单个程序执行之外是具有持久性的。当进程调用_exit、exit、exec或从main返回时，进程打开的命名信号量同样会被关闭。

【sem_unlink函数】：

sem_unlink函数用于在所有进程关闭了命名信号量之后，将信号量从系统中删除：

【信号量操作函数】：

与无名信号量一样，操作信号量的函数如下:

命名信号量是随内核持续的。当命名信号量创建后，即使当前没有进程打开某个信号量，它的值依然保持，直到内核重新自举或调用sem_unlink()删除该信号量。

无名信号量的持续性要根据信号量在内存中的位置确定：

很多时候信号量、互斥量和条件变量都可以在某种应用中使用，那这三者的差异有哪些呢？下面列出了这三者之间的差异：

Linux并发与同步专题信号量

关键词：Semaphore、down()/up()。

《Linux并发与同步专题 (1)原子操作和内存屏障》

《Linux并发与同步专题 (2)spinlock》

《Linux并发与同步专题 (3) 信号量》

《Linux并发与同步专题 (4) Mutex互斥量》

《Linux并发与同步专题 (5) 读写锁》

《Linux并发与同步专题 (6) RCU》

《Linux并发与同步专题 (7) 内存管理中的锁》

《Linux并发与同步专题 (8) 最新更新与展望》

1. 信号量数据结构

数据机构struct semaphore用于描述信号量。

/* Please don\'t access any members of this structure directly */
struct semaphore {
    raw_spinlock_t        lock;-----------------------------spinlock变量，用于对信号量数据结构里count和wait_list成员的保护。
    unsigned int        count;------------------------------用于表示允许进入临界区的内核执行路径个数。
    struct list_head    wait_list;--------------------------用于管理所有在该信号量上睡眠的进程，没有成功获取锁的进程会睡眠在这个链表上。
};

数据结构struct semaphore_waiter用于描述将在信号量等待队列山等待的进程。

struct semaphore_waiter {
    struct list_head list;---------------------------------链表项
    struct task_struct *task;------------------------------将要放到信号量等待队列上的进程结构
    bool up;
};

2. 信号量的初始化

信号量的初始化有两种，一种是通过sema_init()动态初始化一个信号量，另一种是通过DEFINE_SEMAPHORE()静态定义一个信号量。

这两者都通过__SEMAPHORE_INITIALIZER()完成初始化工作。区别是sema_init()提供了lockdep调试跟踪，而且sema_init()可以指定持锁路径个数；而DEFINE_SEMAPHORE()默认为1。

#define __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, n)                \\
{                                    \\
    .lock        = __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED((name).lock),    \\
    .count        = n,                        \\
    .wait_list    = LIST_HEAD_INIT((name).wait_list),        \\
}

#define DEFINE_SEMAPHORE(name)    \\
    struct semaphore name = __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, 1)---------------和sema_init()区别在于此处只有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);
}

3. down()/up()

信号量的使用较简单，down_xxx()持有信号量，up()释放信号量。

down()有很多变种，基本上遵循一致的规则：首先判断sem->count是否大于0，如果大于0，则sem->count--；否则调用__down_xxx()函数。

__down_xxx()最终都会调用__down_common()函数，他们之间的区别就是参数不一样。

down()变种	flag	timeout	说明
down()	TASK_UNINTERRUPTIBLE	MAX_SCHEDULE_TIMEOUT	争用信号量失败时进入不可中断的睡眠状态。
down_interruptible()	TASK_INTERRUPTIBLE	MAX_SCHEDULE_TIMEOUT	争用信号量失败时进入可中断的睡眠状态。
down_killable()	TASK_KILLABLE	MAX_SCHEDULE_TIMEOUT	争用信号量失败时进入不可中断睡眠状态，但是在收到致命信号时唤醒睡眠进程。
down_timeout()	TASK_UNINTERRUPTIBLE	timeout	争用信号量失败时进入不可中断的睡眠状态，超时则唤醒当前进程。

down_trylock()是个特例，并不会等待，只是单纯的去获取锁。返回0表示获取锁成功，返回1表示获取锁失败。

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

    raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);-----------------获取spinlock并关本地中断来保护count数据。
    if (likely(sem->count > 0))-------------------------------如果大于0则表明当前进程可以成功获取信号量。
        sem->count--;
    else
        __down(sem);------------------------------------------获取失败，等待。
    raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);------------恢复中断寄存器，打开本地中断，并释放spinlock。
}

static noinline void __sched __down(struct semaphore *sem)
{
    __down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);
}

int down_interruptible(struct semaphore *sem)
{
    unsigned long flags;
    int result = 0;

    raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
    if (likely(sem->count > 0))
        sem->count--;
    else
        result = __down_interruptible(sem);
    raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);

    return result;
}

static noinline int __sched __down_interruptible(struct semaphore *sem)
{
    return __down_common(sem, TASK_INTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);
}

int down_killable(struct semaphore *sem)
{
    unsigned long flags;
    int result = 0;

    raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
    if (likely(sem->count > 0))
        sem->count--;
    else
        result = __down_killable(sem);
    raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);

    return result;
}

static noinline int __sched __down_killable(struct semaphore *sem)
{
    return __down_common(sem, TASK_KILLABLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);
}

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

    raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
    count = sem->count - 1;
    if (likely(count >= 0))-------------------------------判断当前sem->count的减1后是否大于等于0。如果小于0，则表示无法获取信号量；如果大于等于0，表示可以成功获取信号量，并更新sem->count的值。
        sem->count = count;
    raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);

    return (count < 0);-----------------------------------如果count<0，表示无法获取信号量；如果count<0不成立，则表示获取信号量失败。
}

int down_timeout(struct semaphore *sem, long timeout)
{
    unsigned long flags;
    int result = 0;

    raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
    if (likely(sem->count > 0))
        sem->count--;
    else
        result = __down_timeout(sem, timeout);
    raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);

    return result;
}

static noinline int __sched __down_timeout(struct semaphore *sem, long timeout)
{
    return __down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, timeout);
}

static inline int __sched __down_common(struct semaphore *sem, long state,
                                long timeout)
{
    struct task_struct *task = current;-------------------得到当前进程结构
    struct semaphore_waiter waiter;-----------------------struct semaphore_waiter数据结构用于描述获取信号量失败的进程，每个进程会有一个semaphore_waiter数据结构，并把当前进程放到信号量sem的成员变量wait_list链表中。

    list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);---------将waiter加入到信号量sem->waiter_list尾部
    waiter.task = task;-----------------------------------waiter.task指向当前正在运行的进程。
    waiter.up = false;

    for (;;) {
        if (signal_pending_state(state, task))------------根据不同state和当前信号pending情况，决定是否进入interrupted处理。
            goto interrupted;
        if (unlikely(timeout <= 0))-----------------------timeout设置错误
            goto timed_out;
        __set_task_state(task, state);--------------------设置当前进程task->state。
        raw_spin_unlock_irq(&sem->lock);------------------下面即将睡眠，这里释放了spinlock锁，和down()中的获取spinlock锁对应。
        timeout = schedule_timeout(timeout);--------------主动让出CPU，相当于当前进程睡眠。
        raw_spin_lock_irq(&sem->lock);--------------------重新获取spinlock锁，在down()会重新释放锁。这里保证了schedule_timeout()不在spinlock环境中。
        if (waiter.up)------------------------------------waiter.up为true时，说明睡眠在waiter_list队列中的进程被该信号量的up操作唤醒。
            return 0;
    }

 timed_out:
    list_del(&waiter.list);
    return -ETIME;

 interrupted:
    list_del(&waiter.list);
    return -EINTR;
}

static inline int signal_pending_state(long state, struct task_struct *p)
{
　　if (!(state & (TASK_INTERRUPTIBLE | TASK_WAKEKILL)))---------------------对于TASK_UNINTERRUPTIBLE，返回0，继续睡眠。TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_WAKEKILL则往下继续判断。
　　　　return 0;
　　if (!signal_pending(p))--------------------------------------------------TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_WAKEKILL情况，如果没有信号pending，则返回0，继续睡眠.
　　　　return 0;

　　return (state & TASK_INTERRUPTIBLE) || __fatal_signal_pending(p);--------如果是TASK_INTERRUPTIBLE或有SIGKILL信号未处理，则返回1，中断睡眠等待。
}


signed long __sched schedule_timeout(signed long timeout)
{
    struct timer_list timer;
    unsigned long expire;

    switch (timeout)
    {
    case MAX_SCHEDULE_TIMEOUT:
        schedule();-------------------------------------------------------MAX_SCHEDULE_TIMEOUT并不设置一个具体的时间，仅是睡眠。
        goto out;
    default:
        if (timeout < 0) {
            printk(KERN_ERR "schedule_timeout: wrong timeout "
                "value %lx\\n", timeout);
            dump_stack();
            current->state = TASK_RUNNING;
            goto out;
        }
    }

    expire = timeout + jiffies;

    setup_timer_on_stack(&timer, process_timeout, (unsigned long)current);
    __mod_timer(&timer, expire, false, TIMER_NOT_PINNED);----------------这时一个timer，超时函数为process_timeout()，超时后wake_up_process()唤醒当前进程current。
    schedule();
    del_singleshot_timer_sync(&timer);-----------------------------------删除timer

    /* Remove the timer from the object tracker */
    destroy_timer_on_stack(&timer);--------------------------------------销毁timer

    timeout = expire - jiffies;------------------------------------------还剩多少jiffies达到超时点。

 out:
    return timeout < 0 ? 0 : timeout;------------------------------------timeout<0表示已超过超时点；timeout>0表示提前了timeout个jiffies唤醒了。
}

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

    raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
    if (likely(list_empty(&sem->wait_list)))---------------------------如果信号量上的等待队列sem->wait_list为空，说明没有进程在等待该信号来那个，那么直接sem->count加1。
        sem->count++;
    else
        __up(sem);-----------------------------------------------------如果不为空，说明有进程在等待队列里睡眠，调用__up()唤醒。
    raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}

static noinline void __sched __up(struct semaphore *sem)
{
    struct semaphore_waiter *waiter = list_first_entry(&sem->wait_list,
                        struct semaphore_waiter, list);
    list_del(&waiter->list);--------------------------------------------将waiter从信号量等待队列列表删除。
    waiter->up = true;--------------------------------------------------修改该信号量等待队列上waiter->up变量。
    wake_up_process(waiter->task);--------------------------------------唤醒该信号量等待队列上的进程。
}

int wake_up_process(struct task_struct *p)
{
    WARN_ON(task_is_stopped_or_traced(p));
    return try_to_wake_up(p, TASK_NORMAL, 0);
}