Linux并发与同步专题 (3) 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》

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《Linux并发与同步专题 (3) 信号量》

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《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, )---------------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, );
}

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 > ))-------------------------------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 = ;

    raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
    if (likely(sem->count > ))
        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 = ;

    raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
    if (likely(sem->count > ))
        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 - ;
    if (likely(count >= ))-------------------------------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 < );-----------------------------------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 = ;

    raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
    if (likely(sem->count > ))
        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 <= ))-----------------------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 ;
    }

 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 < ) {
            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 <  ?  : 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, );
}

4. 信号量和spinlock的对比

spinlock临界区不允许睡眠，是一种忙等待；信号量允许进程进入睡眠状态。

spinlock同一时刻只能被一个内核代码路径持有；信号量可以同时允许任意数量的持有者。

spinlock适用于一些快速完成的简单场景；信号量适用于一些情况复杂、加锁时间较长的应用场景。