Linux内核33-信号量

1 什么是信号量？

对于信号量我们并不陌生。信号量在计算机科学中是一个很容易理解的概念。本质上，信号量就是一个简单的整数，对其进行的操作称为PV操作。进入某段临界代码段就会调用相关信号量的P操作；如果信号量的值大于0，该值会减1，进程继续执行。相反，如果信号量的值等于0，该进程就会等待，直到有其它程序释放该信号量。释放信号量的过程就称为V操作，通过增加信号量的值，唤醒正在等待的进程。

注：信号量，这一同步机制为什么称为PV操作。原来，这些术语都是来源于狄克斯特拉使用荷兰文定义的。因为在荷兰文中，通过叫passeren，释放叫vrijgeven，PV操作因此得名。这是在计算机术语中不是用英语表达的极少数的例子之一。

事实上，Linux提供了两类信号量：

内核使用的信号量
用户态使用的信号量（遵循System V IPC信号量要求）

在本文中，我们集中研究内核信号量，至于进程间通信使用的信号量以后再分析。所以，后面再提及的信号量指的是内核信号量。

信号量与自旋锁及其类型，不同之处是使用自旋锁的话，获取锁失败的时候，进入忙等待状态，也就是一直在自旋。而使用信号量的话，如果获取信号量失败，则相应的进程会被挂起，知道资源被释放，相应的进程就会继续运行。因此，信号量只能由那些允许休眠的程序可以使用，像中断处理程序和可延时函数等不能使用。

2 信号量的实现

信号量的结构体是semaphore，包含下面的成员：

count 是一个atomic_t类型原子变量。该值如果大于0，则信号量处于释放状态，也就是可以被使用。如果等于0，说明信号量已经被占用，但是没有其它进程在等待信号量保护的资源。如果是负值，说明被保护的资源不可用且至少有一个进程在等待这个资源。
wait 休眠进程等待队列列表的地址，这些进程都是要访问该信号保护的资源。当然了，如果count大于0，这个等待队列是空的。
sleepers 标志是否有进程正在等待该信号。

虽然信号量可以支持很大的count，但是在linux内核中，大部分情况下还是使用信号量的一种特殊形式，也就是互斥信号量（MUTEX）。所以，在早期的内核版本（2.6.37之前），专门提供了一组函数：

代码语言：javascript复制

init_MUTEX()            // 将count设为1
init_MUTEX_LOCKED()     // 将count设为0

用它们来初始化信号量，实现独占访问。init_MUTEX()函数将互斥信号设为1，允许进程使用这个互斥信号量加锁访问资源。init_MUTEX_LOCKED()函数将互斥信号量设为0，说明资源已经被锁住，进程想要访问资源需要先等待别的地方解锁，然后再请求锁独占访问该资源。这种初始化方式一般是在该资源需要其它地方准备好后才允许访问，所以初始状态先被锁住。等准备后，再释放锁允许等待进程访问资源。

另外，还分别有两个静态初始化方法：

代码语言：javascript复制

DECLARE_MUTEX
DECLARE_MUTEX_LOCKED

这两个宏的作用和上面的初始化函数一致，但是静态分配信号量变量。当然了，count还可以被初始化为一个整数值n（n大于1），这样的话，可以允许多达n个进程并发访问资源。

但是，从Linux内核2.6.37版本之后，上面的函数和宏已经不存在。这是为什么呢？因为大家发现在Linux内核的设计实现中通常使用互斥信号量，而不会使用信号量。那既然如此，为什么不直接使用自旋锁和一个int型整数设计信号量呢？这样的话，因为自旋锁本身就有互斥性，代码岂不更为简洁？这样设计，还有一个原因就是之前使用atomic原子变量表示count，但是等待该信号量的进程队列还是需要自旋锁进行保护，有点重复。于是，2.6.37版本内核开始，就使用自旋锁和count设计信号量了。代码如下：

代码语言：javascript复制

struct semaphore {
    raw_spinlock_t      lock;
    unsigned int        count;
    struct list_head    wait_list;
};

这样的设计使用起来更为方便简单。当然了，结构体的变化必然导致操作信号量的函数发生设计上的改变。

3 如何获取和释放信号量

前面我们已经知道，信号量实现在内核发展的过程中发生了更变。所以，其获取和释放信号量的过程必然也有了改变。为了更好的理解信号量，也为了尝试理解内核在设计上的一些思想和机制。我们还是先了解一下早期版本内核获取和释放信号量的过程。

因为信号量的释放过程比获取更为简单，所以我们先以释放信号量的过程为例进行分析。如果一个进程想要释放内核信号量，会调用up()函数。这个函数，本质上等价于下面的代码：

代码语言：javascript复制

    movl $sem->count,�x
    lock; incl (�x)
    jg 1f               // 标号1后面的f字符表示向前跳转，如果是b表示向后跳转
    lea �x,�x
    pushl �x
    pushl �x
    call __up
    popl �x
    popl �x
1:

上面的代码实现的过程大概是，先把信号量的count拷贝到寄存器ecx中，然后使用lock指令原子地将ecx寄存器中的值加1。如果eax寄存器中的值大于0，说明没有进程在等待这个信号，则跳转到标号1处开始执行。使用加载有效地址指令lea将寄存器ecx中的值的地址加载到eax寄存器中，也就是说把变量sem->count的地址（因为count是第一个成员，所以其地址就是sem变量的地址）加载到eax寄存器中。至于两个pushl指令把edx和ecx压栈，是为了保存当前值。因为后面调用__up()函数的时候约定使用3个寄存器（eax，edx和ecx）传递参数，虽然此处只有一个参数。为此调用C函数的内核栈准备好了，可以调用__up()函数了。该函数的代码如下：

代码语言：javascript复制

__attribute__((regparm(3))) void __up(struct semaphore *sem)
{
    wake_up(&sem->wait);
}

反过来，如果一个进程想要请求一个内核信号量，调用down()函数，也就是实施p操作。该函数的实现比较复杂，但是大概内容如下：

代码语言：javascript复制

    down:
    movl $sem->count,�x
    lock; decl (�x);
    jns 1f
    lea �x, �x
    pushl �x
    pushl �x
    call __down
    popl �x
    popl �x
1:

上面代码实现过程：移动sem->count到ecx寄存器中，然后对ecx寄存器进行原子操作，减1。然后检查它的值是否为负值。如果该值大于等于0，则说明当前进程请求信号量成功，可以执行信号量保护的代码区域；否则，说明信号量已经被占用，进程需要挂起休眠。因而，把sem->count的地址加载到eax寄存器中，并将edx和ecx寄存器压栈，为调用C语言函数做好准备。接下来，就可以调用__down()函数了。

__down()函数是一个C语言函数，内容如下：

代码语言：javascript复制

__attribute__((regparm(3))) void __down(struct semaphore * sem)
{
    DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
    unsigned long flags;
    current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
    spin_lock_irqsave(&sem->wait.lock, flags);
    add_wait_queue_exclusive_locked(&sem->wait, &wait);
    sem->sleepers  ;
    for (;;) {
        if (!atomic_add_negative(sem->sleepers-1, &sem->count)) {
            sem->sleepers = 0;
            break;
        }
        sem->sleepers = 1;
        spin_unlock_irqrestore(&sem->wait.lock, flags);
        schedule();
        spin_lock_irqsave(&sem->wait.lock, flags);
        current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
    }
    remove_wait_queue_locked(&sem->wait, &wait);
    wake_up_locked(&sem->wait);
    spin_unlock_irqrestore(&sem->wait.lock, flags);
    current->state = TASK_RUNNING;
}

__down()函数改变进程的运行状态，从TASK_RUNNING到TASK_UNINTERRUPTIBLE，然后把它添加到该信号量的等待队列中。其中sem->wait中包含一个自旋锁spin_lock，使用它保护wait等待队列这个数据结构。同时，还要关闭本地中断。通常，queue操作函数从队列中插入或者删除一个元素，都是需要lock保护的，也就是说，有一个请求、释放锁的过程。但是，__down()函数还使用这个queue的自旋锁保护其它成员，所以扩大了锁的保护范围。所以调用的queue操作函数都是带有_locked后缀的函数，表示锁已经在函数外被请求成功了。

__down()函数的主要任务就是对信号量结构体中的count计数进行减1操作。sleepers如果等于0，则说明没有进行在等待队列中休眠；如果等于1，则相反。

以MUTEX信号量为例进行说明。

第1种情况：count等于1，sleepers等于0。也就是说，信号量现在没有进程使用，也没有等待该信号量的进程在休眠。down()直接通过自减指令设置count为0，满足跳转指令的条件是一个非负数，直接调转到标签1处开始执行，也就是请求信号量成功。那当然也就不会再调用__down()函数了。
第2种情况：count等于0，sleepers也等于0。这种情况下，会调用__down()函数进行处理（count等于-1），设置sleepers等于1。然后判断atomic_add_negative()函数的执行结果：因为在进入for循环之前，sleepers先进行了自加，所以，sem->sleepers-1等于0。所以，if条件不符合，不跳出循环。那么此时count等于-1，sleepers等于0。也就是说明请求信号量失败，因为已经有进程占用信号量，但是没有进程在等待这个信号量。然后，循环继续往下执行，设置sleepers等于1，表示当前进程将会被挂起，等待该信号量。然后执行schedule()，切换到那个持有信号量的进程执行，执行完之后释放信号量。也就是将count设为1，sleepers设为0。而当前被挂起的进程再次被唤醒后，继续检查if条件是否符合，因为此时count等于1，sleepers等于0。所以if条件为真，将sleepers设为0之后，跳出循环。请求锁失败。
第3种情况：count等于0，sleepers等于1。进入__down()函数之后（count等于-1），设置sleepers等于2。if条件为真，所以设置sleepers等于0，跳出循环。说明已经有一个持有信号量的进程在等待队列中。所以，跳出循环后，尝试唤醒等待队列中的进程执行。
第4种情况：count是-1，sleepers等于0。这种情况下，进入__down()函数之后，count等于-2，sleepers临时被设为1。那么atomic_add_negative()函数的计算结果小于0，返回1。if条件为假，继续往下执行，设置sleepers等于1，表明当前进程将被挂起。然后，执行schedule()，切换到持有该信号的进程运行。运行完后，释放信号量，唤醒当前的进程继续执行。而当前被挂起的进程再次被唤醒后，继续检查if条件是否符合，因为此时count等于1，sleepers等于0。所以if条件为真，将sleepers设为0之后，跳出循环。请求锁失败。
第5种情况：count是-1，sleepers等于1。这种情况下，进入__down()函数之后，count等于-2，sleepers临时被设为2。if条件为真，所以设置sleepers等于0，跳出循环。说明已经有一个持有信号量的进程在等待队列中。所以，跳出循环后，尝试唤醒等待队列中的进程执行。

通过上面几种情况的分析，我们可知不管哪种情况都能正常工作。wake_up()每次最多可以唤醒一个进程，因为在等待队列中的进程是互斥的，不可能同时有两个休眠进程被激活。

3 请求信号量的其它函数版本

在上面的分析过程中，我们知道down()函数的实现过程，需要关闭中断，而且这个函数会挂起进程，而中断服务例程中是不能挂起进程的。所以，只有异常处理程序，尤其是系统调用服务例程可以调用down()函数。基于这个原因，Linux还提供了其它版本的请求信号量的函数：

down_trylock() 可以被中断和延时函数调用。基本上与down()函数的实现一致，除了当信号量不可用时立即返回，而不是将进程休眠外。
down_interruptible() 广泛的应用在驱动程序中，因为它允许当信号量忙时，允许进程可以接受信号，从而中止请求信号量的操作。如果正在休眠的进程在取得信号量之前被其它信号唤醒，这个函数将信号量的count值加1，并且返回-EINTR。正常返回0。驱动程序通常判断返回-EINTR后，终止I/O操作。

其实，通过上面的分析，很容易看出down()函数有点鸡肋。它能实现的功能，down_interruptible()函数都能实现。而且down_interruptible()还能满足中断处理程序和延时函数的调用。所以，在2.6.37版本以后的内核中，这个函数已经被废弃。

单片机

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