a最先基智网站建设,汝州市建设局网站,我要自学网app,杭州市建设网官网一、信号量 信号量又称为信号灯#xff0c;它是用来协调不同进程间的数据对象的#xff0c;而最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。本质上#xff0c;信号量是一个计数器#xff0c;它用来记录对某个资源#xff08;如共享内存#xff09;的存取状况。一般说来… 一、信号量 信号量又称为信号灯它是用来协调不同进程间的数据对象的而最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。本质上信号量是一个计数器它用来记录对某个资源如共享内存的存取状况。一般说来为了获得共享资源进程需要执行下列操作 1 测试控制该资源的信号量。 2 若此信号量的值为正则允许进行使用该资源。进程将信号量减1。 3 若此信号量为0则该资源目前不可用进程进入睡眠状态直至信号量值大于0进程被唤醒转入步骤1。 4 当进程不再使用一个信号量控制的资源时信号量值加1。如果此时有进程正在睡眠等待此信号量则唤醒此进程。 维护信号量状态的是Linux内核操作系统而不是用户进程。我们可以从头文件/usr/src/linux/include/linux/sem.h 中看到内核用来维护信号量状态的各个结构的定义。信号量是一个数据集合用户可以单独使用这一集合的每个元素。要调用的第一个函数是semget用以获得一个信号量ID。Linux2.6.26下定义的信号量结构体 struct semaphore {spinlock_t lock;unsigned int count;struct list_head wait_list;
}; 从以上信号量的定义中可以看到信号量底层使用到了spin lock的锁定机制这个spinlock主要用来确保对count成员的原子性的操作(count--)和测试(count 0)。 1.信号量的P操作 (1).void down(struct semaphore *sem); (2).int down_interruptible(struct semaphore *sem); (3).int down_trylock(struct semaphore *sem); 说明 (1)中的函数根据2.6.26中的代码注释这个函数已经out了(Use of this function is deprecated)所以从实用角度彻底忘了它吧。 (2)最常用函数原型 /**
* down_interruptible - acquire the semaphore unless interrupted
* sem: the semaphore to be acquired
*
* Attempts to acquire the semaphore. If no more tasks are allowed to
* acquire the semaphore, calling this function will put the task to sleep.
* If the sleep is interrupted by a signal, this function will return -EINTR.
* If the semaphore is successfully acquired, this function returns 0.
*/
int down_interruptible(struct semaphore *sem)
{unsigned long flags;int result 0;spin_lock_irqsave(sem-lock, flags);if (likely(sem-count 0))sem-count--;elseresult __down_interruptible(sem);spin_unlock_irqrestore(sem-lock, flags);return result;
} 对此函数的理解在保证原子操作的前提下先测试count是否大于0如果是说明可以获得信号量这种情况下需要先将count--以确保别的进程能否获得该信号量然后函数返回其调用者开始进入临界区。如果没有获得信号量当前进程利用struct semaphore 中wait_list加入等待队列开始睡眠。 对于需要休眠的情况在__down_interruptible()函数中会构造一个struct semaphore_waiter类型的变量struct semaphore_waiter定义如下 struct semaphore_waiter
{ struct list_head list; struct task_struct *task; int up;
}; 将当前进程赋给task并利用其list成员将该变量的节点加入到以sem中的wait_list为头部的一个列表中假设有多个进程在sem上调用down_interruptible则sem的wait_list上形成的队列如下图 (注将一个进程阻塞一般的经过是先把进程放到等待队列中接着改变进程的状态比如设为TASK_INTERRUPTIBLE然后调用调度函数schedule()后者将会把当前进程从cpu的运行队列中摘下) (3)试图去获得一个信号量如果没有获得函数立刻返回1而不会让当前进程进入睡眠状态。 2.信号量的V操作 void up(struct semaphore *sem) 原型如下 /**
* up - release the semaphore
* sem: the semaphore to release
*
* Release the semaphore. Unlike mutexes, up() may be called from any
* context and even by tasks which have never called down().
*/
void up(struct semaphore *sem)
{unsigned long flags;spin_lock_irqsave(sem-lock, flags);if (likely(list_empty(sem-wait_list)))sem-count;else__up(sem);spin_unlock_irqrestore(sem-lock, flags);
} 如果没有其他线程等待在目前即将释放的信号量上那么只需将count即可。如果有其他线程正因为等待该信号量而睡眠那么调用__up. __up的定义 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);waiter-up 1;wake_up_process(waiter-task);
} 这个函数首先获得sem所在的wait_list为头部的链表的第一个有效节点然后从链表中将其删除然后唤醒该节点上睡眠的进程。 由此可见对于sem上的每次down_interruptible调用都会在sem的wait_list链表尾部加入一新的节点。对于sem上的每次up调用都会删除掉wait_list链表中的第一个有效节点并唤醒睡眠在该节点上的进程。 关于Linux环境下信号量其他API 详见LKD和ULD 二、互斥体 互斥体实现了“互相排斥”mutual exclusion同步的简单形式所以名为互斥体(mutex)。互斥体禁止多个线程同时进入受保护的代码“临界区”critical section。因此在任意时刻只有一个线程被允许进入这样的代码保护区。 任何线程在进入临界区之前必须获取acquire与此区域相关联的互斥体的所有权。如果已有另一线程拥有了临界区的互斥体其他线程就不能再进入其中。这些线程必须等待直到当前的属主线程释放release该互斥体。 什么时候需要使用互斥体呢互斥体用于保护共享的易变代码也就是全局或静态数据。这样的数据必须通过互斥体进行保护以防止它们在多个线程同时访问时损坏 Linux 2.6.26中mutex的定义 struct mutex {/* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */atomic_t count;spinlock_t wait_lock;struct list_head wait_list;
#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXESstruct thread_info *owner;const char *name;void *magic;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOCstruct lockdep_map dep_map;
#endif
}; 对比前面的struct semaphorestruct mutex除了增加了几个作为debug用途的成员变量外和semaphore几乎长得一样。但是mutex的引入主要是为了提供互斥机制以避免多个进程同时在一个临界区中运行。 如果静态声明一个count1的semaphore变量可以使用DECLARE_MUTEX(name)DECLARE_MUTEX(name)实际上是定义一个semaphore所以它的使用应该对应信号量的P,V函数. 如果要定义一个静态mutex型变量应该使用DEFINE_MUTEX 如果在程序运行期要初始化一个mutex变量可以使用mutex_initmutexmutex_init是个宏在该宏定义的内部会调用__mutex_init函数。 #define mutex_init(mutex) \
do { \static struct lock_class_key __key; \\ __mutex_init((mutex), #mutex, __key); \
} while (0) __mutex_init定义如下 /***
* mutex_init - initialize the mutex
* lock: the mutex to be initialized
*
* Initialize the mutex to unlocked state.
*
* It is not allowed to initialize an already locked mutex.
*/
void
__mutex_init(struct mutex *lock, const char *name, struct lock_class_key *key)
{atomic_set(lock-count, 1);spin_lock_init(lock-wait_lock);INIT_LIST_HEAD(lock-wait_list);debug_mutex_init(lock, name, key);
} 从__mutex_init的定义可以看出在使用mutex_init宏来初始化一个mutex变量时应该使用mutex的指针型。 mutex上的P,V操作void mutex_lock(struct mutex *lock)和void __sched mutex_unlock(struct mutex *lock) 从原理上讲mutex实际上是count1情况下的semaphore所以其PV操作应该和semaphore是一样的。但是在实际的Linux代码上出于性能优化的角度并非只是单纯的重用down_interruptible和up的代码。以ARM平台的mutex_lock为例实际上是将mutex_lock分成两部分实现fast path和slow path主要是基于这样一个事实在绝大多数情况下试图获得互斥体的代码总是可以成功获得。所以Linux的代码针对这一事实用ARM V6上的LDREX和STREX指令来实现fast path以期获得最佳的执行性能。这里对于mutex的实现细节不再多说如欲深入了解参考APUE和ULD 三、自旋锁 自旋锁它是为为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实自旋锁与互斥锁比较类似它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁还是自旋锁在任何时刻最多只能有一个保持者也就说在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁如果资源已经被占用资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠如果自旋锁已经被别的执行单元保持调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁自旋一词就是因此而得名。 自旋锁一般原理 跟互斥锁一样一个执行单元要想访问被自旋锁保护的共享资源必须先得到锁在访问完共享资源后必须释放锁。如果在获取自旋锁时没有任何执行单元保持该锁那么将立即得到锁如果在获取自旋锁时锁已经有保持者那么获取锁操作将自旋在那里直到该自旋锁的保持者释放了锁。由此我们可以看出自旋锁是一种比较低级的保护数据结构或代码片段的原始方式这种锁可能存在两个问题死锁和过多占用cpu资源。 自旋锁适用情况 自旋锁比较适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况。正是由于自旋锁使用者一般保持锁时间非常短因此选择自旋而不是睡眠是非常必要的自旋锁的效率远高于互斥锁。信号量和读写信号量适合于保持时间较长的情况它们会导致调用者睡眠因此只能在进程上下文使用而自旋锁适合于保持时间非常短的情况它可以在任何上下文使用。如果被保护的共享资源只在进程上下文访问使用信号量保护该共享资源非常合适如果对共享资源的访问时间非常短自旋锁也可以。但是如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断就必须使用自旋锁。自旋锁保持期间是抢占失效的而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的。自旋锁只有在内核可抢占或SMP多处理器的情况下才真正需要在单CPU且不可抢占的内核下自旋锁的所有操作都是空操作。另外格外注意一点自旋锁不能递归使用。 关于自旋锁的定义以及相应的API 自旋锁定义: linux/Spinlock.h typedef struct spinlock {union { //联合struct raw_spinlock rlock;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
# define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))struct{u8 __padding[LOCK_PADSIZE];struct lockdep_map dep_map;};
#endif};
} spinlock_t; 定义和初始化 spinlock_t my_lock SPIN_LOCK_UNLOCKED;
void spin_lock_init(spinlock_t *lock); 自旋锁操作 //加锁一个自旋锁函数
void spin_lock(spinlock_t *lock); //获取指定的自旋锁
void spin_lock_irq(spinlock_t *lock); //禁止本地中断获取指定的锁
void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags); //保存本地中断的状态,禁止本地中断,并获取指定的锁
void spin_lock_bh(spinlock_t *lock) //安全地避免死锁, 而仍然允许硬件中断被服务//释放一个自旋锁函数
void spin_unlock(spinlock_t *lock); //释放指定的锁
void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock); //释放指定的锁,并激活本地中断
void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags); //释放指定的锁,并让本地中断恢复到以前的状态
void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock); //对应于spin_lock_bh//非阻塞锁
int spin_trylock(spinlock_t *lock); //试图获得某个特定的自旋锁,如果该锁已经被争用,该方法会立刻返回一个非0值,//而不会自旋等待锁被释放,如果成果获得了这个锁,那么就返回0.
int spin_trylock_bh(spinlock_t *lock);
//这些函数成功时返回非零( 获得了锁 ), 否则 0. 没有try版本来禁止中断.//其他
int spin_is_locked(spinlock_t *lock); //和try_lock()差不多 四、信号量、互斥体和自旋锁的区别 信号量/互斥体和自旋锁的区别 信号量/互斥体允许进程睡眠属于睡眠锁自旋锁则不允许调用者睡眠而是让其循环等待所以有以下区别应用 1、信号量和读写信号量适合于保持时间较长的情况它们会导致调用者睡眠因而自旋锁适合于保持时间非常短的情况 2、自旋锁可以用于中断不能用于进程上下文(会引起死锁)。而信号量不允许使用在中断中而可以用于进程上下文 3、自旋锁保持期间是抢占失效的自旋锁被持有时内核不能被抢占而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的 另外需要注意的是 1、信号量锁保护的临界区可包含可能引起阻塞的代码而自旋锁则绝对要避免用来保护包含这样代码的临界区因为阻塞意味着要进行进程的切换如果进程被切换出去后另一进程企图获取本自旋锁死锁就会发生。 2、在你占用信号量的同时不能占用自旋锁因为在你等待信号量时可能会睡眠而在持有自旋锁时是不允许睡眠的。 信号量和互斥体之间的区别 概念上的区别 信号量是进程间线程间同步用的一个进程线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的进程线程别的进程线程再进行某些动作。有二值和多值信号量之分。 互斥锁是线程间互斥用的一个线程占用了某一个共享资源那么别的线程就无法访问直到这个线程离开其他的线程才开始可以使用这个共享资源。可以把互斥锁看成二值信号量。 上锁时 信号量: 只要信号量的value大于0其他线程就可以sem_wait成功成功后信号量的value减一。若value值不大于0则sem_wait阻塞直到sem_post释放后value值加一。一句话信号量的value0。 互斥锁: 只要被锁住其他任何线程都不可以访问被保护的资源。如果没有锁获得资源成功否则进行阻塞等待资源可用。一句话线程互斥锁的vlaue可以为负数。 使用场所 信号量主要适用于进程间通信当然也可用于线程间通信。而互斥锁只能用于线程间通信。
