Linux设备驱动程序 之 信号量和互斥体

概念

一个信号量本质是一个整数值，它和一堆函数联合使用，这一对函数通常称为P和V；希望进入临界区的进程将在相关信号量上调用P；如果信号量的值大于零，则该值会减少1，进程可以继续执行；相反，如果信号量的值为0或者更小，则进程必须等待知道其他人释放该信号量；对信号量的解锁通过调用V完成；该函数增加信号量的值，并在必要时唤醒等待的进程；

当信号量用于互斥时（即避免多个进程同时在一个临界区中运行），信号量 的值应该初始化为1；这种信号量在任何给定时刻只能由单个进程或者线程拥有；这种使用模式下，一个信号量有时也成为一个互斥体（mutex），它是互斥的简称；

Linux内核汇总几乎所有的信号量均用于互斥体；

信号量的使用

Linux内核遵守上述语义提供了信号量的实现，要使用信号量，内核代码必须包含<linux/semaphore.h>，相关的类型是struct semaphore；

实际的信号量可以通过集中途径来生命和初始化；

直接创建信号量，其中val参数是赋予一个信号量的初始值；

 static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val)

Linux中P函数被称为down–或者这个名字的变种；该类函数减小了信号量的值，它也许会将调用者置于休眠状态，然后等待信号量变为可用，之后授予调用者对保护资源的访问；作为通常规则，我们不应该使用非中断的操作；down的几个变种函数都有返回值，需要始终进行检查；

Linux中V函数被称为up，该函数增加了信号量的值，使用该函数后，调用者不再拥有该信号量；任何down操作都需要对应进行up操作，特别注意在错误分支中对已持有信号量的释放；

 void down(struct semaphore *sem);
 int __must_check down_interruptible(struct semaphore *sem);
 int __must_check down_killable(struct semaphore *sem);
 int __must_check down_trylock(struct semaphore *sem);
 int __must_check down_timeout(struct semaphore *sem, long jiffies);
 void up(struct semaphore *sem);

读写信号量的使用

许多任务可以划分成两种不同的工作类型：一些任务只需要读取受保护的数据结构，而其他的则必须做出修改；允许多个并发读取是可能的，只要它们中没有哪个要做修改；这样做可以大大的提高性能，以内容只读任务可以并行的完成它们的工作，而不需要等待其他读取者退出临界区；

内核中为这种情形提供了一种特殊的信号量类型，rwsem，虽然使用比较少，但偶尔也比较有用；

使用rwsem必须包含头文件<linux/rwsem.h>，对应的数据类型是struct rw_semaphore；

在使用之前需要使用init_rwsem宏进行初始化；

 #define init_rwsem(sem)                        \
 do {                                \
     static struct lock_class_key __key;            \
                                 \
     __init_rwsem((sem), #sem, &__key);            \
 } while ()

down_read系列函数提供了对保护资源的只读访问，可以和其他读取者并发的访问；down_write则提供了对保护资源的写访问，与其他读写着互斥；一个rwsem允许一个写入者和多个读取者拥有该信号量；up_xxx操作则用于释放已经持有的信号量；

 /*
  * lock for reading
  */
 extern void down_read(struct rw_semaphore *sem);

 /*
  * trylock for reading -- returns 1 if successful, 0 if contention
  */
 extern int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem);

 /*
  * lock for writing
  */
 extern void down_write(struct rw_semaphore *sem);
 extern int __must_check down_write_killable(struct rw_semaphore *sem);

 /*
  * trylock for writing -- returns 1 if successful, 0 if contention
  */
 extern int down_write_trylock(struct rw_semaphore *sem);

 /*
  * release a read lock
  */
 extern void up_read(struct rw_semaphore *sem);

 /*
  * release a write lock
  */
 extern void up_write(struct rw_semaphore *sem);

 /*
  * downgrade write lock to read lock
  */
 extern void downgrade_write(struct rw_semaphore *sem);

互斥体的使用

Linux内核互斥体之前是以val为1的信号量存在的，现在已经单独实现；使用互斥体需要包含<linux/mutex.h>头文件；

mutex_init宏完成对互斥量的初始化；

 #define mutex_init(mutex)                        \
 do {                                    \
     static struct lock_class_key __key;                \
                                     \
     __mutex_init((mutex), #mutex, &__key);                \
 } while ()

其中包含了一些列的lock与unlock操作，如下所示，其中mutex_lock_xxx表示在进入临界区之前加锁的操作，mutex_unlock操作表示退出临界区的解锁的操作；

 extern void mutex_lock(struct mutex *lock);
 extern int __must_check mutex_lock_interruptible(struct mutex *lock);
 extern int __must_check mutex_lock_killable(struct mutex *lock);
 extern void mutex_lock_io(struct mutex *lock);

 # define mutex_lock_nested(lock, subclass) mutex_lock(lock)
 # define mutex_lock_interruptible_nested(lock, subclass) mutex_lock_interruptible(lock)
 # define mutex_lock_killable_nested(lock, subclass) mutex_lock_killable(lock)
 # define mutex_lock_nest_lock(lock, nest_lock) mutex_lock(lock)
 # define mutex_lock_io_nested(lock, subclass) mutex_lock(lock)
 #endif

 /*
  * NOTE: mutex_trylock() follows the spin_trylock() convention,
  *       not the down_trylock() convention!
  *
  * Returns 1 if the mutex has been acquired successfully, and 0 on contention.
  */
 extern int mutex_trylock(struct mutex *lock);
 extern void mutex_unlock(struct mutex *lock);

 extern int atomic_dec_and_mutex_lock(atomic_t *cnt, struct mutex *lock);