Linux之信号量_很全面的分析_个人整理的

### Linux之信号量详解 #### 一、信号量概述 信号量是一种用于进程间通信的机制，主要用于协调多个进程对共享资源的访问。通过信号量的机制，可以在多个进程之间同步资源的使用，确保资源在同一时刻只被一个进程访问。 #### 二、信号量的分类 在Linux系统中，信号量主要分为两大类： 1. **内核信号量**：主要用于内核内部的资源保护，例如设备驱动程序中的共享资源。 2. **用户态信号量**：供用户空间程序使用，进一步细分为： - **POSIX信号量**：分为有名信号量和无名信号量，前者可用于进程间通信，后者适用于线程间同步。 - **SYSTEMV信号量**：通常用于进程间通信，支持一组信号量的管理。 #### 三、内核信号量 **内核信号量**是Linux内核提供的用于保护内核内部资源的一种机制，其核心是一个`struct semaphore`类型的数据结构。它的工作原理是当资源被占用时，试图访问该资源的进程会被挂起，直到资源被释放。 ##### 1. 内核信号量的结构 ```c struct semaphore { atomic_t count; // 信号量计数器 int sleepers; // 等待进程数量标志 wait_queue_head_t wait; // 等待队列头部 }; ``` - `count`: 表示信号量的值，当为正数时表示资源可用，为零时表示资源已被占用但没有进程在等待，为负数时表示资源已被占用且有等待队列。 - `wait`: 等待队列，所有等待该资源的进程都将加入到这个队列中。 - `sleepers`: 标志位，指示是否有进程在等待信号量。 ##### 2. 内核信号量的相关函数 - **初始化函数** - `void sema_init(struct semaphore *sem, int val);` - `void init_MUTEX(struct semaphore *sem);` - `void init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *sem);` - **获取资源** - `void down(struct semaphore *sem);` 可能会引起进程挂起 - `int down_interruptible(struct semaphore *sem);` 允许中断信号打断等待过程 - `int down_trylock(struct semaphore *sem);` 非阻塞式尝试获取资源 - **释放资源** - `void up(struct semaphore *sem);` ##### 3. 内核信号量的应用示例 在驱动程序开发中，为了防止多个线程同时访问同一资源导致数据不一致问题，可以使用内核信号量来实现互斥访问。例如，在文件读写操作中： ```c ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t *off) { // 尝试获取信号量 if (down_interruptible(&sem)) { return -ERESTARTSYS; } // 将用户空间的数据复制到内核空间 if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int))) { up(&sem); return -EFAULT; } // 释放信号量 up(&sem); return sizeof(int); } ``` #### 四、POSIX信号量与SYSTEMV信号量的比较 ##### 1. 概念差异 - **POSIX信号量**：主要用于线程间同步，信号量是一个非负整数。 - **SYSTEMV信号量**：主要用于进程间同步，它是一个信号量集合，对应一个信号量结构体。 ##### 2. 引用头文件 - POSIX信号量：`<semaphore.h>` - SYSTEMV信号量：`<sys/sem.h>` ##### 3. 使用复杂度 - **POSIX信号量**：使用简单，创建和初始化以及PV操作都非常直观。 - **SYSTEMV信号量**：使用较为复杂，涉及到更多的配置和管理步骤。 #### 五、POSIX信号量详解 **POSIX信号量**是Linux中广泛使用的一种信号量机制，适用于线程间及进程间通信。 ##### 1. 无名信号量 无名信号量用于线程间同步，创建方式非常简单： ```c sem_t sem_id; sem_init(&sem_id, 0, 1); // 初始化信号量 ``` 其中，`sem_init()`函数的第一个参数是指向信号量的指针，第二个参数为0表示无名信号量，第三个参数初始化信号量的值。 ##### 2. 有名信号量 有名信号量用于进程间通信，其值保存在文件系统中，因此可以在不同进程间共享： ```c sem_t *sem_id; sem_id = sem_open("/my_semaphore", O_CREAT, 0644, 1); // 创建有名信号量 ``` 其中，`sem_open()`函数的第一个参数是信号量的名字，第二个参数指定打开模式，第三个参数设置权限，第四个参数初始化信号量的值。 信号量是在Linux系统中非常重要的同步机制之一，无论是内核信号量还是用户态信号量都具有各自的特点和应用场景。理解这些基本概念和使用方法对于编写高效可靠的多线程或多进程程序至关重要。