Linux驱动学习笔记（6）信号量（semaphore）与互斥量（mutex）【转】

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并发导致竟态，从而导致对共享数据的非控制访问，产生非预期结果，我们要避免竟态的发生。遵循以下原则：1，尽量避免资源共享；2，显示地管理对共享资源的访问。管理技术通常为“锁定”或者“互斥”，保证任何时刻只有一个执行线程可操作共享资源。

        几个重要的概念：1，原子操作，顾名思义，就是说该操作是原子性的（原子是保持物质物理新性质的最小单位），不可分割的，亦即操作要么处于不间断地执行的状态，要么处于不执行的状态。2，临界区，临界区是这么一段代码，这段代码在任意给定时刻只能被一个线程执行。3，休眠，休眠是程序处于阻塞的状态，进程到达某个时间点，此时它不能进行任何处理（可能是等待某资源），它让出处理器给别的进程用，直到它能够完成自己的处理为止。相当于进程进入睡觉的状态，但它永远不知道要睡多长时间，也许它几天后才醒来，但是它会认为只是打了个盹。

         信号量的本质是一个整数值，可以取0或者正整数，信号量为0表示该信号量标志的资源对当前进程不可用（可能其他线程正在使用），为正整数n表示允许唤醒n个线程对资源进行操作。信号量配合一对函数P和V使用，P是Proberen（荷兰语），测试的意思，V（Verhogen）是增加。P操作对应down()函数，测试信号量的值，若大于0，则信号量值减1，进程继续；若信号量等于0，那么调用进程休眠（调用sleep()），此时down()并没有结束（而是处于休眠状态）。P操作是原子操作，也就是说检查信号量和修改信号量（或者休眠，如果信号量为0的话）是一个单一的不可分割的操作。V操作对应于up()函数，完成对信号量的加1操作，如果有线程在等待该信号量而处于休眠状态（调用down()检查到信号量为0），则由系统唤醒其中一个线程完成down()函数。虽然此刻信号量又回到了0，但是处于等待的进程数少了一个，等该进程完成了对共享资源的访问，需要调用up()函数释放信号量，使得其他等待该信号量的线程能够继续。

    要使用信号量，首先需要初始化，使用下面的函数进行初始化一个信号量，val用来指定信号量的初始值，即有最多有val 个进程可以并发访问down()和up()之间保护的资源。    

  void sema_init(struct semaphore *sem,int val)

内核中P操作有三个版本

void down(struct semaphore *sem)

int down_interruptible(struct semaphore *sem)

int down-trylock(struct semaphore *sem) //检查信号量后立即返回，不进入休眠

down_interruptible()是dwon()的可中断版本，也就是说用户可以中断正在等待该信号量的进程。这个函数是我们需要始终使用的版本。

down()和up()是成对调用的，up()函数用于释放信号量，其函数原型是

void up(struct semaphore *sem)

        当调用sema_init()函数初始化信号量，如果val取1，那么该信号量就是一个互斥量！互斥量是只有两个状态的变量，解锁（0）和加锁（非零）。也就是说信号量可以实现互斥，但并不是所有互斥量都是信号量。信号量和互斥量就像有交集的两个集合。对于一些不能休眠的代码，如中断处理handle，不能使用信号量的down()函数，因为down会导致休眠，这时候可以使用自旋锁来实现互斥！自旋锁的工作原理与信号量颇为相似，spin_lock()不断检查锁是否可用，当锁可用时（处于解锁状态，互斥量为0），那么加锁（互斥量设置为非零），进程可以继续，进入临界区执行代码，当锁不可用时，那么spin_lock()进入忙循环并重复检查锁，直到锁可用，代码此刻在这里循环，像不像自旋（down()函数此时则进入休眠）。与信号量一样，使用自旋锁时必须对互斥量进行初始化，有两种方法可以完成初始化，一是声明锁时赋值，二是调用初始化函数传递实参

spinlock_t mylock=SPIN_LOCK_UNLOCKED

void spin_lock_init(spinlock_t *lock)

获得锁的函数（相当于信号量中的P操作）是

void spin_lock(spinlock_t *lock)

同样，用完之后需要释放锁，调用下面的代码

void spin_unlock(spinlock_t *lock)

        由于自旋锁会造成死锁，因此需要小心使用。需要遵循以下规则：

1，任何拥有自旋锁的代码必须是原子的，它不能休眠！注意，copy_from_user,kmalloc等会导致休眠的函数在拥有spinlock的临界区是不能使用的。

2，在拥有自旋锁时禁止中断，使用函数spin_lock_irqsave()或spin_lock_irq()代替spin_lock()

3，自旋锁必须在可能的最短时间内拥有。也就是锁自旋锁保护的临界区代码执行得越快越好。

4，必须避免获得锁的函数调用同样试图获得该锁的函数，否则会造成死锁。

5，在必须获得多个锁时，应该始终以相同的顺序获得。