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Linux之信号量-比较全面-个人总结。.doc
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学习文档 仅供参考
信号量
一.什么是信号量
信号量的使用主要是用来保护共享资源,使得资源在一个时刻只有一个进程〔线程〕所
拥有。
信号量的值为正的时候,说明它空闲。所测试的线程可以锁定而使用它。假设为 0,说
明它被占用,测试的线程要进入睡眠队列中,等待被唤醒。
二.信号量的分类
在学习信号量之前,我们必须先知道——Linux 提供两种信号量:
(1) 内核信号量,由内核控制路径使用
(2) 用户态进程使用的信号量,这种信号量又分为 POSIX 信号量和 SYSTEM V 信
号量。
POSIX 信号量又分为有名信号量和无名信号量。
有名信号量,其值保存在文件中, 所以它可以用于线程也可以用于进程间的同步。无名
信号量,其值保存在内存中。
倘假设对信号量没有以上的全面认识的话,你就会很快发现自己在信号量的森林里迷
失了方向。
三.内核信号量
1.内核信号量的构成
内核信号量类似于自旋锁,因为当锁关闭着时,它不允许内核控制路径继续进行。然而,
当内核控制路径试图获取内核信号量锁保护的忙资源时,相应的进程就被挂起。只有在资源
被释放时,进程才再次变为可运行。
只有可以睡眠的函数才能获取内核信号量;中断处理程序和可延迟函数都不能使用内核
信号量。
内核信号量是 struct semaphore 类型的对象,它在<asm/semaphore.h>中定义:
struct semaphore {
atomic_t count;
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学习文档 仅供参考
int sleepers;
wait_queue_head_t wait;
}
count:相当于信号量的值,大于 0,资源空闲;等于 0,资源忙,但没有进程等待这个
保护的资源;小于 0,资源不可用,并至少有一个进程等待资源。
wait:存放等待队列链表的地址,当前等待资源的所有睡眠进程都会放在这个链表中。
sleepers:存放一个标志,表示是否有一些进程在信号量上睡眠。
2.内核信号量中的等待队列〔删除,没有联系〕
上面已经提到了内核信号量使用了等待队列 wait_queue 来实现阻塞操作。
当某任务由于没有某种条件没有得到满足时,它就被挂到等待队列中睡眠。当条件得到满足
时,该任务就被移出等待队列,此时并不意味着该任务就被马上执行,因为它又被移进工作
队列中等待 CPU 资源,在适当的时机被调度。
内核信号量是在内部使用等待队列的,也就是说该等待队列对用户是隐藏的,无须用户
干预。由用户真正使用的等待队列我们将在另外的篇章进行详解。
3.内核信号量的相关函数
〔1〕初始化:
void sema_init (struct semaphore *sem, int val);
void init_MUTEX (struct semaphore *sem); //将 sem 的值置为 1,表示资源空闲
void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem); //将 sem 的值置为 0,表示资源忙
〔2〕申请内核信号量所保护的资源:
void down(struct semaphore * sem); // 可引起睡眠
int down_interruptible(struct semaphore * sem); // down_interruptible 能被信号打断
int down_trylock(struct semaphore * sem); // 非阻塞函数,不会睡眠。无法锁定资源则
马上返回
〔3〕释放内核信号量所保护的资源:
void up(struct semaphore * sem);
4.内核信号量的使用例程
在驱动程序中,当多个线程同时访问相同的资源时〔驱动中的全局变量时一种典型的共
享资源〕,可能会引发“竞态“,因此我们必须对共享资源进行并发控制。Linux 内核中解
决并发控制的最常用方法是自旋锁与信号量〔绝大多数时候作为互斥锁使用〕。
ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
//获得信号量
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if (down_interruptible(&sem))
{
return - ERESTARTSYS;
}
//将用户空间的数据复制到内核空间的 global_var
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 SYSTEM V 信号量的比较
1. 对 POSIX 来说,信号量是个非负整数。常用于线程间同步。
而 SYSTEM V 信号量则是一个或多个信号量的集合,它对应的是一个信号量结构体,
这个结构体是为 SYSTEM V IPC 服务的,信号量只不过是它的一部分。常用于进程间同步。
2.POSIX 信号量的引用头文件是“<semaphore.h>”,而 SYSTEM V 信号量的引用头文件是
“<sys/sem.h>”。
3.从使用的角度,System V 信号量是复杂的,而 Posix 信号量是简单。比方,POSIX 信
号量的创建和初始化或 PV 操作就很非常方便。
五.POSIX 信号量详解
1.无名信号量
无名信号量的创建就像声明一般的变量一样简单,例如:sem_t sem_id。然后再初
始化该无名信号量,之后就可以放心使用了。
无名信号量常用于多线程间的同步,同时也用于相关进程间的同步。也就是说,无名信
号量必须是多个进程〔线程〕的共享变量,无名信号量要保护的变量也必须是多个进程〔线
程〕的共享变量,这两个条件是缺一不可的。
常见的无名信号量相关函数:sem_destroy
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
1)pshared==0 用于同一多线程的同步;
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学习文档 仅供参考
2)假设 pshared>0 用于多个相关进程间的同步〔即由 fork 产生的〕
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
取回信号量 sem 的当前值,把该值保存到 sval 中。
假设有 1 个或更多的线程或进程调用 sem_wait 阻塞在该信号量上,该函数返回两种值:
1) 返回 0
2) 返回阻塞在该信号量上的进程或线程数目
linux 采用返回的第一种策略。
sem_wait(或 sem_trywait)相当于 P 操作,即申请资源。
int sem_wait(sem_t *sem); // 这是一个阻塞的函数
测试所指定信号量的值,它的操作是原子的。
假设 sem>0,那么它减 1 并立即返回。
假设 sem==0,则睡眠直到 sem>0,此时立即减 1,然后返回。
int sem_trywait(sem_t *sem); // 非阻塞的函数
其他的行为和 sem_wait 一样,除了:
假设 sem==0,不是睡眠,而是返回一个错误 EAGAIN。
sem_post 相当于 V 操作,释放资源。
int sem_post(sem_t *sem);
把指定的信号量 sem 的值加 1;
呼醒正在等待该信号量的任意线程。
注意:在这些函数中,只有 sem_post 是信号安全的函数,它是可重入函数
〔a〕无名信号量在多线程间的同步
无名信号量的常见用法是将要保护的变量放在 sem_wait 和 sem_post 中间所形成
的临界区内,这样该变量就会被保护起来,例如:
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int number; // 被保护的全局变量
sem_t sem_id;
void* thread_one_fun(void *arg)
{
sem_wait(&sem_id);
printf("thread_one have the semaphore\n");
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