内核同步机制-信号量 互斥锁 读-写信号量 sema mutex rwsem.doc

内核同步机制-信号量/互斥锁/读-写信号量 sema ,mutex ,rwsem 目录1 信号量 o 1.1 通用信号量 o 1.2 互斥锁 o 1.3 读/写信号量 信号量 通用信号量 用户类进程之间使用信号量（semaphore）进行同步，内核线程之间也使用了信号量。信号量与自旋锁类似，保护临界区代码。但信号量与自旋锁有一定的区别，信号量在无法得到资源时，内核线程处于睡眠阻塞状态，而自旋锁处于忙等待状态。因此，如果资源被占用时间很短时，使用自旋锁较好，因为它可节约调度时间。如果资源被占用的时间较长，使用信号量较好，因为可让CPU调度去做其它进程的工作。操作信号量的API函数说明如表6。表6 信号量API函数功能说明 函数定义 功能说明 sema_init(struct semaphore *sem, int val) 初始化信号量，将信号量计数器值设置val。 down(struct semaphore *sem) 获取信号量，不建议使用此函数。 down_interruptible(struct semaphore *sem) 可被中断地获取信号量，如果睡眠被信号中断，返回错误-EINTR。 down_killable (struct semaphore *sem) 可被杀死地获取信号量。如果睡眠被致命信号中断，返回错误-EINTR。 down_trylock(struct semaphore *sem) 尝试原子地获取信号量，如果成功获取，返回0，不能获取，返回1。 down_timeout(struct semaphore *sem, long jiffies) 在指定的时间jiffies内获取信号量，若超时未获取，返回错误-ETIME。 up(struct semaphore *sem)释放信号量sem。 样例：信号量的使用下面函数do_utimes利用信号量防止多个线程对文件系统节点inode同时进行访问。其列出如下（在fs/open.c中）： long do_utimes(char _user * filename, struct timeval * times) struct inode * inode; down(&inode-i_sem); /获取信号量 error = notify_change(nd.dentry, &newattrs);/修改inode中值 up(&inode-i_sem); /释放信号量 下面说明信号量API函数。 （1）信号量结构semaphore信号量用结构semaphore描述，它在自旋锁的基础上改进而成，它包括一个自旋锁、信号量计数器和一个等待队列。用户程序只能调用信号量API函数，而不能直接访问信号量结构，其列出如下（在include/linux/semaphore.h中）： struct semaphore spinlock_t lock; unsigned int count; struct list_head wait_list; （2）初始化函数sema_init函数sema_init初始化信号量，将信号量值初始化为n，其列出如下： static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val) static struct lock_class_key _key; *sem = (struct semaphore) _SEMAPHORE_INITIALIZER(*sem, val); /*初始化一个锁的实例，用于调试中获取信号量的调试信息*/ lockdep_init_map(&sem-lock.dep_map, semaphore-lock, &_key, 0); #define _SEMAPHORE_INITIALIZER(name, n) / / .lock = _SPIN_LOCK_UNLOCKED(name).lock), / /初始化自旋锁 .count = n, / /将信号量计数器赋值为n .wait_list = LIST_HEAD_INIT(name).wait_list), / /初始化等待队列 （3）可中断获取信号量函数down_interruptible 函数down_interruptible获取信号量，存放在参数sem中。它尝试获取信号量，如果其他线程被允许尝试获取此信号量，则将本线程睡眠等待。如果有一个信号中断睡眠，则它返回错误-EINTR。如果成功获取信号量，函数返回0。函数down_interruptible列出如下（在kernel/semaphore.c中）： int down_interruptible(struct semaphore *sem) unsigned long flags; int result = 0; spin_lock_irqsave(&sem-lock, flags); /获取自旋锁，关闭中断，将状态寄存器值存放在flags /*如果信号量计数器值大于0，说明有多个空闲资源可访问，可以成功获取信号量了*/ if (likely(sem-count 0) /likely表示成功获取的概率大，通知编译器进行分支预测优化 sem-count-; else result = _down_interruptible(sem); /进入睡眠等待 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); 函数_down_common进入睡眠等待，其列出如下： static inline int _sched _down_common(struct semaphore *sem, long state, long timeout) struct task_struct *task = current; struct semaphore_waiter waiter; list_add_tail(&waiter.list, &sem-wait_list); /加入到等待队列 waiter.task = task; waiter.up = 0; for (;) if (state = TASK_INTERRUPTIBLE & signal_pending(task) goto interrupted; if (state = TASK_KILLABLE & fatal_signal_pending(task) goto interrupted; if (timeout lock); timeout = schedule_timeout(timeout); /调度 spin_lock_irq(&sem-lock); if (waiter.up) return 0; timed_out: list_del(&waiter.list); return -ETIME; interrupted: list_del(&waiter.list); return -EINTR; （3）释放信号量函数up 函数up在没有其他线程等待使用信号量的情况下释放信号量，否则，唤醒其他等待线程。其列出如下： void up(struct semaphore *sem) unsigned long flags; spin_lock_irqsave(&sem-lock, flags); /*判断是否有线程等待在此信号量上，即判断等待队列是否为空*/ if (likely(list_empty(&sem-wait_list) /*没有线程等待此信号量，释放信号量，将信号量计数器加1，表示增加了1个空闲资源*/ sem-count+; else _up(sem); /*将本线程从等待队列删除，唤醒等待此信号量的其他线程*/ 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); /将本线程从等待队列删除 waiter-up = 1; wake_up_process(waiter-task); /唤醒等待此信号量的其他线程 互斥锁 信号量的初始值表示可以有多少个任务可同时访问的共享资源，如果初始值为1，表示只有1个任务可以访问，信号量变成互斥锁（Mutex）。可见互斥锁是信号量的特例。互斥锁（mutex）是在原子操作API的基础上实现的信号量行为。互斥锁不能进行递归锁定或解锁，能用于交互上下文，同一时间只能有一个任务持有互斥锁。互斥锁功能上基本上与信号量一样，互斥锁占用空间比信号量小，运行效率比信号量高。互斥锁的API函数功能说明如表1。 表1 互斥锁的API函数功能说明 API函数 功能说明 DEFINE_MUTEX(mutexname) 创建和初始化互斥锁。 void mutex_lock(struct mutex *lock);加锁。 void mutex_unlock(struct mutex *lock); 解锁。 int mutex_trylock(struct mutex *lock);尝试加锁。 互斥锁用结构mutex描述，它含有信号量计数和等待队列成员，信号量的值为1或0或负数。其列出如下（在include/linux/mutex.h中）： struct mutex /* 1：表示解锁，0：表示锁住，负数：表示锁住，可能有等待者*/ atomic_t count; spinlock_t wait_lock; /*操作等待队列的自旋锁*/ struct list_head wait_list; /*等待队列*/ /*省略了用于调试的结构成员*/; 读/写信号量 读/写信号量适于在读多写少的情况下使用。如果一个任务需要读和写操作时，它将被看作写者，在不需要写操作的情况下可降级为读者。任意多个读者可同时拥有一个读/写信号量，对临界区代码进行操作。在没有写者操作时，任何读者都可成功获得读/写信号量进行读操作。如果有写者在操作时，读者必须被挂起等待直到写者释放该信号量。在没有写者或读者操作时，写者必须等待前面的写者或读者释放该信号量后，才能访问临界区。写者独占临界区，排斥其他的写者和读者，而读者只排斥写者。读/写信号量可通过依赖硬件架构或纯软件代码两种方式实现。下面只说明纯软件代码实现方式。 （1）API说明 用户可通过调用读/写信号量API实现读/写操作的同步。读/写信号量API说明如表1。 表1 读/写信号量API函数功能说明 API函数定义 功能说明 DECLARE_RWSEM(name) 声明名为name的读写信号量，并初始化它。 void init_rwsem(struct rw_semaphore *sem); 对读写信号量sem进行初始化。 void down_read(struct rw_semaphore *sem); 读者用来获取sem，若没获得时，则调用者睡眠等待。 void up_read(struct rw_semaphore *sem); 读者释放sem。int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem); 读者尝试获取sem，如果获得返回1，如果没有获得返回0。可在中断上下文使用。 void down_write(struct rw_semaphore *sem); 写者用来获取sem，若没获得时，则调用者睡眠等待。 int down_write_trylock(struct rw_semaphore *sem); 写者尝试获取sem，如果获得返回1，如果没有获得返回0。可在中断上下文使用 void up_write(struct rw_semaphore *sem); 写者释放sem。 void downgrade_write(struct rw_semaphore *sem);把写者降级为读者。 （2）读/写信号量结构rw_semaphore 读/写信号量结构rw_semaphore描述了读/写信号量的值和等待队列，其列出如下（在include/linux/rwsem-spinlock.h中）：struct rw_semaphore /*读/写信号量定义： * - 如果activity为0，那么没有激活的读者或写者。 * - 如果activity为+ve，那么将有ve个激活的读者。 * - 如果activity为-1，那么将有1个激活的写者。 */ _s32 activity; /*信号量值*/ spinlock_t wait_lock; /*用于锁等待队列wait_list*/ struct list_head wait_list; /*如果非空，表示有进程等待该信号量*/#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC /*用于锁调试*/ struct lockdep_map dep_map;#endif; （3）读者加锁/解锁操作实现分析 1）加读者锁操作读者加锁函数down_read用于加读者锁，如果没有写者操作时，等待队列为空，读者可以加读者锁，将信号量的读者计数加1。如果有写在操作时，等待队列非空，读者需要等待写者操作完成。函数down_read列出如下（在kernel/rwsem.c中）： void _sched down_read(struct rw_semaphore *sem) might_sleep(); /*用于调试自旋锁睡眠*/ rwsem_acquire_read(&sem-dep_map, 0, 0, _RET_IP_); /*确认获得锁，用于调试*/ /*跟踪锁状态信息（如：锁深度），用于调试*/ LOCK_CONTENDED(sem, _down_read_trylock, _down_read); 函数_down_read 完成加读者的具体操作，其列出如下（在lib/rwsem-spinlock.c中）：void _sched _down_read(struct rw_semaphore *sem) struct rwsem_waiter waiter; struct task_struct *tsk; spin_lock_irq(&sem-wait_lock); /*如果有0或多个读者，并且等待队列为空，就可以获取sem*/ if (sem-activity = 0 & list_empty(&sem-wait_list) /* 获得sem */ sem-activity+; /*读者计数加1*/ spin_unlock_irq(&sem-wait_lock); goto out; /*运行到这里，说明不能获取sem，将当前进程加入等待队列进行等待*/ tsk = current; set_task_state(tsk, TASK_UNINTERRUPTIBLE); /* 建立等待队列成员*/ waiter.task = tsk; waiter.flags = RWSEM_WAITING_FOR_READ; /*表示等待读操作*/ get_task_struct(tsk); /*进程使用计数加1*/ list_add_tail(&waiter.list, &sem-wait_list); /*将等待成员加到等待队列尾*/ /* 不再需要访问等待队列，因此，这里解锁*/ spin_unlock_irq(&sem-wait_lock); /* 读者等待获取sem */ for (;) if (!waiter.task) break; schedule(); set_task_state(tsk, TASK_UNINTERRUPTIBLE); /*运行这里，退出等待，说明可以获取sem了*/ tsk-state = TASK_RUNNING;out:; 2）解读者锁操作函数up_read释放读者锁，如果等待队列非空，说明有写者在等待，就从等待队列唤醒一个写者。其列出如下（在kernel/rwsem.c中）： void up_read(struct rw_semaphore *sem) rwsem_release(&sem-dep_map, 1, _RET_IP_); /*获取解锁信息，用于调试*/ _up_read(sem); 函数_up_read是释放读者锁的具体操作函数，其列出如下： void _up_read(struct rw_semaphore *sem) unsigned long flags; spin_lock_irqsave(&sem-wait_lock, flags); /*如果所有读者完成读操作，并且有写者等待，那么唤醒一个写者*/ if (-sem-activity = 0 &!list_empty(&sem-wait_list) sem = _rwsem_wake_one_writer(sem); spin_unlock_irqrestore(&sem-wait_lock, flags); /*唤醒一个写者*/static inline struct rw_semaphore *_rwsem_wake_one_writer(struct rw_semaphore *sem) struct rwsem_waiter *waiter; struct task_struct *tsk; sem-activity = -1; /*表示有一个写者正在写操作*/ /*获取一个等待者*/ waiter = list_entry(sem-wait_list.next, struct rwsem_waiter, list); list_del(&waiter-list); /*将该等待者从等待队列删除*/ tsk = waiter-task; smp_mb(); /*加内存屏障，确保完成上面的指针引用操作*/ waiter-task = NULL; wake_up_process(tsk); /*唤醒进程*/ put_task_struct(tsk); /*进程上下文使用计数减1*/ return sem; （3）写者加锁/解锁操作实现分析 1）加写者锁操作函数down_write完成加写者锁操作，其列出如下：void _sched down_write(struct rw_semaphore *sem) might_sleep(); rwsem_acquire(&sem-dep_map, 0, 0, _RET_IP_); LOCK_CONTENDED(sem, _down_write_trylock, _down_write); void _sched _down_write(struct rw_semaphore *sem) _down_write_nested(sem, 0); 函数_down_write_nested完成加写者锁的具体操作。当没有读者或写者操作时，写者才可以获取写者锁。写者锁是独占的。如果有其他写者或读者操作时，写者必须等待。其列出如下： void _sched _down_write_nested(struct rw_semaphore *sem, int subclass) struct rwsem_waiter waiter; struct task_struct *tsk; spin_lock_irq(&sem-wait_lock); /*如果没有读者，并且等待队列为空（说明没有写者）时，写者才能获取写者锁*/ if (sem-activi