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Linux内核信号量

发布时间:2020-11-06 13:47:11 所属栏目:动态 来源:互联网
导读:跟自旋锁一样,信号量也有区分读-写信号量之分。 如果一个读写信号量当前没有被写者拥有并且也没有写者等待读者释放信号量,那么任何读者都可以成功获得该读写信号量;否则,读者必须被挂起直到写者释放该信号量。如果一个读写信号量当前没有被读者或写者拥有

跟自旋锁一样,信号量也有区分读-写信号量之分。

如果一个读写信号量当前没有被写者拥有并且也没有写者等待读者释放信号量,那么任何读者都可以成功获得该读写信号量;否则,读者必须被挂起直到写者释放该信号量。如果一个读写信号量当前没有被读者或写者拥有并且也没有写者等待该信号量,那么一个写者可以成功获得该读写信号量,否则写者将被挂起,直到没有任何访问者。因此,写者是排他性的,独占性的。

读写信号量有两种实现,一种是通用的,不依赖于硬件架构,因此,增加新的架构不需要重新实现它,但缺点是性能低,获得和释放读写信号量的开销大;另一种是架构相关的,因此性能高,获取和释放读写信号量的开销小,但增加新的架构需要重新实现。在内核配置时,可以通过选项去控制使用哪一种实现。

  1. 进程A首先通过open()打开设备文件,调用到内核的hello_open(),并调用down_interruptible(),因为此时信号量没有被占用,所以进程A可以获得信号量;
  2. 进程A获得信号量之后继续处理原有任务,此时进程B也要通过open()打开设备文件,同样调用内核函数hello_open(),但此时信号量获取不到,于是进程B被阻塞;
  3. 进程A任务执行完毕,关闭设备文件,并通过up()释放信号量,于是进程B被唤醒,并得以继续执行剩下的任务,
  4. 进程B执行完任务,释放设备文件,通过up()释放信号量
  5. 一个进程在调用down_interruptible()之后,如果sem<0,那么就进入到可中断的睡眠状态并调度其它进程运行, 但是一旦该进程收到信号,那么就会从down_interruptible函数中返回。并标记错误号为:-EINTR。

    一个形象的比喻:传入的信号量为1好比天亮,如果当前信号量为0,进程睡眠,直到(信号量为1)天亮才醒,但是可能中途有个闹铃(信号)把你闹醒。

    又如:小强下午放学回家,回家了就要开始吃饭嘛,这时就会有两种情况:情况一:饭做好了,可以开始吃;情况二:当他到厨房去的时候发现妈妈还在做, 妈妈就对他说:“你先去睡会,待会做好了叫你。” 小强就答应去睡会,不过又说了一句:“睡的这段时间要是小红来找我玩,你可以叫醒我。” 小强就是down_interruptible,想吃饭就是获取信号量,睡觉对应这里的休眠,而小红来找我玩就是中断休眠。

    使用可被中断的信号量版本的意思是,万一出现了semaphore的死锁,还有机会用ctrl+c发出软中断,让等待这个内核驱动返回的用户态进程退出。而不是把整个系统都锁住了。在休眠时,能被中断信号终止,这个进程是可以接受中断信号的!

    比如你在命令行中输入# sleep 10000,按下ctrl + c,就给上面的进程发送了进程终止信号。信号发送给用户空间,然后通过系统调用,会把这个信号传给递给驱动。信号只能发送给用户空间,无权直接发送给内核的,那1G的内核空间,我们是无法直接去操作的。

    应用场景

    由于争用信号量的进程在等待锁重新变为可用时会睡眠,所以信号量适用于锁会被长时间持有的情况;相反,锁被短时间持有时,使用信号量就不太适宜了,因为睡眠、维护等待队列以及唤醒所花费的开销可能比锁占用的全部时间表还要长。

    举2个生活中的例子:

    我们坐火车从南京到新疆需要2天的时间,这个'任务'特别的耗时,只能坐在车上等着车到站,但是我们没有必要一直睁着眼睛等,理想的情况就是我们上车就直接睡觉,醒来就到站(看过《异形》的读者会深有体会),这样从人(用户)的角度来说,体验是最好的,对比于进程,程序在等待一个耗时事件的时候,没有必须要一直占用CPU,可以暂停当前任务使其进入休眠状态,当等待的事件发生之后再由其他任务唤醒,类似于这种场景采用信号量比较合适。

    我们有时候会等待电梯、洗手间,这种场景需要等待的时间并不是很多,如果我们还要找个地方睡一觉,然后等电梯到了或者洗手间可以用了再醒来,那很显然这也没有必要,我们只需要排好队,刷一刷抖音就可以了,对比于计算机程序,比如驱动在进入中断例程,在等待某个寄存器被置位,这种场景需要等待的时间往往很短暂,系统开销甚至远小于进入休眠的开销,所以这种场景采用自旋锁比较合适。

    关于信号量和自旋锁,以及死锁问题,我们后面会再详细讨论。

    使用方法

    一个任务要想访问共享资源,首先必须得到信号量,获取信号量的操作将把信号量的值减1,若当前信号量的值为负数,表明无法获得信号量,该任务必须挂起在 该信号量的等待队列等待该信号量可用;若当前信号量的值为非负数,表示能获得信号量,因而能即时访问被该信号量保护的共享资源。

    当任务访问完被信号量保护的共享资源后,必须释放信号量,释放信号量通过把信号量的值加1实现,如果信号量的值为非正数,表明有任务等待当前信号量,因此他也唤醒所有等待该信号量的任务。

(编辑:鹰潭站长网)

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