Linux内核中锁机制之信号量、读写信号量

在上一篇博文中笔者分析了关于内存屏障、读写自旋锁以及顺序锁的相关内容，本篇博文将着重讨论有关信号量、读写信号量的内容。

六、信号量

关于信号量的内容，实际上它是与自旋锁类似的概念，只有得到信号量的进程才能执行临界区的代码；不同的是获取不到信号量时，进程不会原地打转而是进入休眠等待状态。它的定义是include\linux\semaphore.h文件中，结构体如图6.1所示。其中的count变量是计数作用，通过使用lock变量实现对count变量的保护，而wait_list则是对申请信号量的进程维护的等待队列。

图6.1      信号量的结构体定义

我们首先看下它是如何使用的，首先定义一个信号量，然后初始化信号量，它包括两种方法。如图6.2所示。方法1：简单的初始化，定义信号量的个数由val决定，实际上val值即是赋给信号量结构体中的count变量；方法2是直接将结构体中count值设置成1，此时信号量可用于实现进程间的互斥量。注意：对于信号量的初始化函数Linux最新版本存在变化，本文所采用的Linux版本已不存在如init_MUTEX和init_MUTEX_LOCKED等初始化函数，同时也更换了名字等，这点读者在阅读的时候需要下，因此笔者建议以后在编程中遇到需要使用信号量的时候尽量采用sema_init(struct semaphore *sem, int val)函数，因为这个函数就目前为止从未发生变化。

图6.2      信号量的初始函数

下面我们讨论如何获得信号量，它主要包括三个函数，第一个函数表示当信号申请不到时会进程会休眠；对于第二个函数来说，它表示如果当进程因申请不到信号量而进入睡眠后，能被信号打断，这里所说的信号是指进程间通信的信号，比如我们的Ctrl+C，但这时候这个函数的返回值不为0；第三个函数表示信号量无论是否获得，都将立即返回，但返回值会根据是否申请成功而定，同时这个函数也不会导致睡眠。最后的up函数，这个还是很好理解的，就是释放信号量，进而唤醒队列中的等待信号量的进程。函数如图6.3所展示一般。

图6.3      信号量的获得和释放函数

接下来笔者将举几个例子，依次如图6.4，图6.5所示。图6.4的例子仍是实现一个设备只能被一个进程打开。例子很简单，这里便不再细说，主要体现到底如何使用信号量。如图6.4所展示。

图6.4      信号量的使用示例

如图6.5实现的是进程间的同步问题。实际上，当把信号量的初始值为0，则可以实现同步了。正如图6.5所展示一般，对于执行单元A而言，如果执行单元B不执行up函数，执行单元A就因为申请不到进程而睡眠，直至up函数被调用，所以执行代码b前必须等到执行单元B执行完代码c。相信这个内容在操作系统课程都均有提及。

图6.5      信号量实现同步示例

讨论过示例后，相信读者对于信号量的使用有了比较好的了解。下面让我们来简单的讨论下它的实现机制。通过了解信号量的结构体，可以发现结构体中除了使用自旋锁机制外，就是count值的变化（这一点先前已提及）。它的源码如图6.6，图6.7所示。

图6.6  信号量down函数内核源码                                          图6.7  信号量up函数内核源码

从源码中可以看到信号量利用自旋锁的相关函数实现了对count变量的保护，通过判断变量是否大于0以及自增减来实现信号量的申请和释放。也是因为这一点，所以信号量能够实现同步机制。

另外，关于源码中的__down和__up函数的实现内容，它们其实是维护申请信号量的进程的链表队列(增加、删除操作)，以及进程调度方面的一些信息(超时机制)，从而让进程实现休眠。由于其中的源码量较为庞大，涉及的内容也较多，故这里不再深入讨论，感兴趣的可以查阅相关资料。

关于信号量的内容还有一点需要提及，我们知道信号量时进程级的，因此对于它的使用必然是当占用资源较长时间的时候。这点在使用信号量的使用需要重点考虑，反之，则容易影响程序的性能等。OK，至此，关于信号量的内容即讨论到此。

七、读写信号量

接下来笔者将讨论有关读写信号量的内容，这部分是较难的一部分，需分析较多的源码。同样，我们首先看下它主要能够做些什么：读写信号量与信号量的关系如同自旋锁与读写自旋锁的关系，它允许N个读操作同时访问共享资源，但最多只能有一个写操作。它的定义位置是在arch\x86\include\asm\rwsem.h以及kernel\rwsem.c中。关于它的结构体的定义，如图7.1所示。显然，它的结构体定义和信号量的结构体定义如出一辙。

图7.1      读写信号量的结构体实现

而后了解下它的具体使用方法，如图7.2所展示的函数。同其它锁机制类似，它所提供的接口函数也是较为简单，包括这些函数能实现的功能都差不了多少。

图7.2      读写信号量的接口函数

在了解读写信号量的定义和使用后，接下来读者将讨论的具体源码实现。它的具体实现是采用汇编实现，比较绕，需配合源码来一一说明，源码次序依次如图7.3至图7.8所示。为便于分析，下面源码只给出最为关键的内容。

对于图7.3所展示的内容主要是读写信号量中需要使用的一些宏定义，具体为何取这个值笔者就不大了解了，后续研究深入了可能会有所体会。

图7.3      读写自旋锁的内核源码

图7.4      读写自旋锁的内核源码

图7.5      读写自旋锁的内核源码

图7.4和同7.5所示源码主要体现了读锁和写锁的实现内容。实际上还是利用test指令检测count变量的值来实现。申请成功的内容好理解，其中的xadd指令表示将原操作数和目的操作数值相交换，而后相加保存入目的操作数。一旦读写信号量申请失败，则需要跳转到如图7.6，图7.7所示的源码中。其中图7.6，图7.7中所示的源码没多少内容，最后还是跳转到rwsem_down_read_failed和rwsem_down_write_failed函数中，通过汇编源码保存改变相应存储变量的寄存器，从而再次返回到C代码中，如图7.8所示的源码中。由于笔者能力有限，对于图7.8所示的源码内容中调用的rwsem_down_write_failed函数被没有研究透，故这里并未进一步深入研究。

至此，关于读写信号量的内容讨论基本结束，确实由于笔者能力有限，关于读写信号量的内容以及本博文的系列内容，读者可进一步深入研究，并欢迎讨论。共同进步。

图7.6  读写自旋锁的内核源码                                        图7.7  读写自旋锁的内核源码

图7.8      读写自旋锁的内核源码

出于文章篇幅的限制，本篇博文到此结束，后续将会给出《大话Linux内核中锁机制之完成量、互斥量》，感兴趣的读者可继续阅读后一篇博文。由于笔者水平所限，博文中难免有出错之处，欢迎读者指出，大家相互讨论，共同进步。