聊聊Linux內(nèi)核信號(hào)量
概念
Linux內(nèi)核的信號(hào)量在概念和原理上和用戶態(tài)的System V的IPC機(jī)制信號(hào)量是相同的，不過(guò)他絕不可能在內(nèi)核之外使用，因此他和System V的IPC機(jī)制信號(hào)量毫不相干。
如果有一個(gè)任務(wù)想要獲得已經(jīng)被占用的信號(hào)量時(shí)，信號(hào)量會(huì)將其放入一個(gè)等待隊(duì)列(它不是站在外面癡癡地等待而是將自己的名字寫(xiě)在任務(wù)隊(duì)列中)然后讓其睡眠。
當(dāng)持有信號(hào)量的進(jìn)程將信號(hào)釋放后，處于等待隊(duì)列中的一個(gè)任務(wù)將被喚醒(因?yàn)殛?duì)列中可能不止一個(gè)任務(wù))，并讓其獲得信號(hào)量。這一點(diǎn)與自旋鎖不同，處理器可以去執(zhí)行其它代碼。
應(yīng)用場(chǎng)景
由于爭(zhēng)用信號(hào)量的進(jìn)程在等待鎖重新變?yōu)榭捎脮r(shí)會(huì)睡眠，所以信號(hào)量適用于鎖會(huì)被長(zhǎng)時(shí)間持有的情況;相反，鎖被短時(shí)間持有時(shí)，使用信號(hào)量就不太適宜了，因?yàn)樗摺⒕S護(hù)等待隊(duì)列以及喚醒所花費(fèi)的開(kāi)銷(xiāo)可能比鎖占用的全部時(shí)間表還要長(zhǎng)。
舉2個(gè)生活中的例子：
我們坐火車(chē)從南京到新疆需要2天的時(shí)間，這個(gè)'任務(wù)'特別的耗時(shí)，只能坐在車(chē)上等著車(chē)到站，但是我們沒(méi)有必要一直睜著眼睛等，理想的情況就是我們上車(chē)就直接睡覺(jué)，醒來(lái)就到站(看過(guò)《異形》的讀者會(huì)深有體會(huì))，這樣從人(用戶)的角度來(lái)說(shuō)，體驗(yàn)是最好的，對(duì)比于進(jìn)程，程序在等待一個(gè)耗時(shí)事件的時(shí)候，沒(méi)有必須要一直占用CPU，可以暫停當(dāng)前任務(wù)使其進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)?shù)却氖录l(fā)生之后再由其他任務(wù)喚醒，類似于這種場(chǎng)景采用信號(hào)量比較合適。
我們有時(shí)候會(huì)等待電梯、洗手間，這種場(chǎng)景需要等待的時(shí)間并不是很多，如果我們還要找個(gè)地方睡一覺(jué)，然后等電梯到了或者洗手間可以用了再醒來(lái)，那很顯然這也沒(méi)有必要，我們只需要排好隊(duì)，刷一刷抖音就可以了，對(duì)比于計(jì)算機(jī)程序，比如驅(qū)動(dòng)在進(jìn)入中斷例程，在等待某個(gè)寄存器被置位，這種場(chǎng)景需要等待的時(shí)間往往很短暫，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)甚至遠(yuǎn)小于進(jìn)入休眠的開(kāi)銷(xiāo)，所以這種場(chǎng)景采用自旋鎖比較合適。
關(guān)于信號(hào)量和自旋鎖，以及死鎖問(wèn)題，我們后面會(huì)再詳細(xì)討論。
使用方法
一個(gè)任務(wù)要想訪問(wèn)共享資源，首先必須得到信號(hào)量，獲取信號(hào)量的操作將把信號(hào)量的值減1，若當(dāng)前信號(hào)量的值為負(fù)數(shù)，表明無(wú)法獲得信號(hào)量，該任務(wù)必須掛起在 該信號(hào)量的等待隊(duì)列等待該信號(hào)量可用;若當(dāng)前信號(hào)量的值為非負(fù)數(shù)，表示能獲得信號(hào)量，因而能即時(shí)訪問(wèn)被該信號(hào)量保護(hù)的共享資源。
當(dāng)任務(wù)訪問(wèn)完被信號(hào)量保護(hù)的共享資源后，必須釋放信號(hào)量，釋放信號(hào)量通過(guò)把信號(hào)量的值加1實(shí)現(xiàn)，如果信號(hào)量的值為非正數(shù)，表明有任務(wù)等待當(dāng)前信號(hào)量，因此他也喚醒所有等待該信號(hào)量的任務(wù)。
內(nèi)核信號(hào)量的構(gòu)成
內(nèi)核信號(hào)量類似于自旋鎖，因?yàn)楫?dāng)鎖關(guān)閉著時(shí)，它不允許內(nèi)核控制路徑繼續(xù)進(jìn)行。然而，當(dāng)內(nèi)核控制路徑試圖獲取內(nèi)核信號(hào)量鎖保護(hù)的忙資源時(shí)，相應(yīng)的進(jìn)程就被掛起。只有在資源被釋放時(shí)，進(jìn)程才再次變?yōu)榭蛇\(yùn)行。
只有可以睡眠的函數(shù)才能獲取內(nèi)核信號(hào)量;中斷處理程序和可延遲函數(shù)都不能使用內(nèi)核信號(hào)量。
內(nèi)核信號(hào)量是struct semaphore類型的對(duì)象，在內(nèi)核源碼中位于include\linux\semaphore.h文件
- struct semaphore{
- raw_spinlock_t lock;
- unsigned int count;
- struct list_head wait_list;
- }
| 成員 | 描述 |
|---|---|
| lock | 在2.6.33之后的版本，內(nèi)核加入了raw_spin_lock系列，使用方法和spin_lock系列一模一樣，只是參數(shù)spinlock_t變?yōu)榱藃aw_spinlock_t |
| count | 相當(dāng)于信號(hào)量的值，大于0，資源空閑；等于0，資源忙，但沒(méi)有進(jìn)程等待這個(gè)保護(hù)的資源；小于0，資源不可用，并至少有一個(gè)進(jìn)程等待資源 |
| wait_list | 內(nèi)核鏈表，當(dāng)前獲得信號(hào)量的任務(wù)會(huì)與該成員一起注冊(cè)到等待的鏈表中 |
信號(hào)量的API
初始化
- DECLARE_MUTEX(name)
該宏聲明一個(gè)信號(hào)量name并初始化他的值為1，即聲明一個(gè)互斥鎖。
- DECLARE_MUTEX_LOCKED(name)
該宏聲明一個(gè)互斥鎖name，但把他的初始值設(shè)置為0，即鎖在創(chuàng)建時(shí)就處在已鎖狀態(tài)。因此對(duì)于這種鎖，一般是先釋放后獲得。
- void sema_init (struct semaphore *sem, int val);
該函用于數(shù)初始化設(shè)置信號(hào)量的初值，他設(shè)置信號(hào)量sem的值為val。
注意：
val設(shè)置為1說(shuō)明只有一個(gè)持有者，這種信號(hào)量叫二值信號(hào)量或者叫互斥信號(hào)量。
我們還允許信號(hào)量可以有多個(gè)持有者，這種信號(hào)量叫計(jì)數(shù)信號(hào)量，在初始化時(shí)要說(shuō)明最多允許有多少個(gè)持有者也可以把信號(hào)量中的val初始化為任意的正數(shù)值n，在這種情況下，最多有n個(gè)進(jìn)程可以并發(fā)地訪問(wèn)這個(gè)資源。
- void init_MUTEX (struct semaphore *sem);
該函數(shù)用于初始化一個(gè)互斥鎖，即他把信號(hào)量sem的值設(shè)置為1。
- void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem);
該函數(shù)也用于初始化一個(gè)互斥鎖，但他把信號(hào)量sem的值設(shè)置為0，即一開(kāi)始就處在已鎖狀態(tài)。
PV操作
獲取信號(hào)量(P)
- void down(struct semaphore * sem);
該函數(shù)用于獲得信號(hào)量sem，他會(huì)導(dǎo)致調(diào)用該函數(shù)的進(jìn)程睡眠，因此不能在中斷上下文(包括IRQ上下文和softirq上下文)使用該函數(shù)。該函數(shù)將把sem的值減1，如果信號(hào)量sem的值非負(fù)，就直接返回，否則調(diào)用者將被掛起，直到別的任務(wù)釋放該信號(hào)量才能繼續(xù)運(yùn)行。
- int down_interruptible(struct semaphore * sem);
該函數(shù)功能和down類似，不同之處為，down不會(huì)被信號(hào)(signal)打斷，但down_interruptible能被信號(hào)打斷，因此該函數(shù)有返回值來(lái)區(qū)分是正常返回還是被信號(hào)中斷，如果返回0，表示獲得信號(hào)量正常返回，如果被信號(hào)打斷，返回-EINTR。
- int down_trylock(struct semaphore * sem);
該函數(shù)試著獲得信號(hào)量sem，如果能夠即時(shí)獲得，他就獲得該信號(hào)量并返回0，否則，表示不能獲得信號(hào)量sem，返回值為非0值。因此，他不會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，能在中斷上下文使用。
- int down_killable(struct semaphore *sem);
- int down_timeout(struct semaphore *sem, long jiffies);
- int down_timeout_interruptible(struct semaphore *sem, long jiffies);
釋放內(nèi)核信號(hào)量(V)
- void up(struct semaphore * sem);
該函數(shù)釋放信號(hào)量sem，即把sem的值加1，如果sem的值為非正數(shù)，表明有任務(wù)等待該信號(hào)量，因此喚醒這些等待者。
補(bǔ)充
- int down_interruptible(struct semaphore *sem)
這個(gè)函數(shù)的功能就是獲得信號(hào)量，如果得不到信號(hào)量就睡眠，此時(shí)沒(méi)有信號(hào)打斷，那么進(jìn)入睡眠。但是在睡眠過(guò)程中可能被信號(hào)打斷，打斷之后返回-EINTR，主要用來(lái)進(jìn)程間的互斥同步。
下面是該函數(shù)的注釋：
- /**
- * 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.
- */
一個(gè)進(jìn)程在調(diào)用down_interruptible()之后，如果sem<0，那么就進(jìn)入到可中斷的睡眠狀態(tài)并調(diào)度其它進(jìn)程運(yùn)行， 但是一旦該進(jìn)程收到信號(hào)，那么就會(huì)從down_interruptible函數(shù)中返回。并標(biāo)記錯(cuò)誤號(hào)為:-EINTR。
一個(gè)形象的比喻：傳入的信號(hào)量為1好比天亮，如果當(dāng)前信號(hào)量為0，進(jìn)程睡眠，直到(信號(hào)量為1)天亮才醒，但是可能中途有個(gè)鬧鈴(信號(hào))把你鬧醒。
又如：小強(qiáng)下午放學(xué)回家，回家了就要開(kāi)始吃飯嘛，這時(shí)就會(huì)有兩種情況：情況一：飯做好了，可以開(kāi)始吃;情況二：當(dāng)他到廚房去的時(shí)候發(fā)現(xiàn)媽媽還在做， 媽媽就對(duì)他說(shuō)：“你先去睡會(huì)，待會(huì)做好了叫你。” 小強(qiáng)就答應(yīng)去睡會(huì)，不過(guò)又說(shuō)了一句：“睡的這段時(shí)間要是小紅來(lái)找我玩，你可以叫醒我。” 小強(qiáng)就是down_interruptible，想吃飯就是獲取信號(hào)量，睡覺(jué)對(duì)應(yīng)這里的休眠，而小紅來(lái)找我玩就是中斷休眠。
使用可被中斷的信號(hào)量版本的意思是，萬(wàn)一出現(xiàn)了semaphore的死鎖，還有機(jī)會(huì)用ctrl+c發(fā)出軟中斷，讓等待這個(gè)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)返回的用戶態(tài)進(jìn)程退出。而不是把整個(gè)系統(tǒng)都鎖住了。在休眠時(shí)，能被中斷信號(hào)終止，這個(gè)進(jìn)程是可以接受中斷信號(hào)的!
比如你在命令行中輸入# sleep 10000，按下ctrl + c，就給上面的進(jìn)程發(fā)送了進(jìn)程終止信號(hào)。信號(hào)發(fā)送給用戶空間，然后通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用，會(huì)把這個(gè)信號(hào)傳給遞給驅(qū)動(dòng)。信號(hào)只能發(fā)送給用戶空間，無(wú)權(quán)直接發(fā)送給內(nèi)核的，那1G的內(nèi)核空間，我們是無(wú)法直接去操作的。
內(nèi)核信號(hào)量的使用例程
場(chǎng)景1
在驅(qū)動(dòng)程序中，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)相同的資源時(shí)(驅(qū)動(dòng)中的全局變量時(shí)一種典型的共享資源)，可能會(huì)引發(fā)“競(jìng)態(tài)“，因此我們必須對(duì)共享資源進(jìn)行并發(fā)控制。Linux內(nèi)核中解決并發(fā)控制的最常用方法是自旋鎖與信號(hào)量(絕大多數(shù)時(shí)候作為互斥鎖使用)。
在這里插入圖片描述
場(chǎng)景2
有時(shí)候我們希望設(shè)備只能被一個(gè)進(jìn)程打開(kāi)，當(dāng)設(shè)備被占用的時(shí)候，其他設(shè)備必須進(jìn)入休眠。
信號(hào)處理示意圖
在這里插入圖片描述
如上圖：
- 進(jìn)程A首先通過(guò)open()打開(kāi)設(shè)備文件，調(diào)用到內(nèi)核的hello_open()，并調(diào)用down_interruptible()，因?yàn)榇藭r(shí)信號(hào)量沒(méi)有被占用，所以進(jìn)程A可以獲得信號(hào)量;
- 進(jìn)程A獲得信號(hào)量之后繼續(xù)處理原有任務(wù)，此時(shí)進(jìn)程B也要通過(guò)open()打開(kāi)設(shè)備文件，同樣調(diào)用內(nèi)核函數(shù)hello_open(),但此時(shí)信號(hào)量獲取不到，于是進(jìn)程B被阻塞;
- 進(jìn)程A任務(wù)執(zhí)行完畢，關(guān)閉設(shè)備文件，并通過(guò)up()釋放信號(hào)量，于是進(jìn)程B被喚醒，并得以繼續(xù)執(zhí)行剩下的任務(wù)，
- 進(jìn)程B執(zhí)行完任務(wù)，釋放設(shè)備文件，通過(guò)up()釋放信號(hào)量
代碼如下：
- #include <linux/init.h>
- #include <linux/module.h>
- #include <linux/kdev_t.h>
- #include <linux/fs.h>
- #include <linux/cdev.h>
- #include <linux/device.h>
- #include <linux/semaphore.h>
- static int major = 250;
- static int minor = 0;
- static dev_t devno;
- static struct cdev cdev;
- static struct class *cls;
- static struct device *test_device;
- static struct semaphore sem;
- static int hello_open (struct inode *inode, struct file *filep)
- {
- if(down_interruptible(&sem))//p
- {
- return -ERESTARTSYS;
- }
- return 0;
- }
- static int hello_release (struct inode *inode, struct file *filep)
- {
- up(&sem);//v
- return 0;
- }
- static struct file_operations hello_ops =
- {
- .open = hello_open,
- .release = hello_release,
- };
- static int hello_init(void)
- {
- int result;
- int error;
- printk("hello_init \n");
- result = register_chrdev( major, "hello", &hello_ops);
- if(result < 0)
- {
- printk("register_chrdev fail \n");
- return result;
- }
- devno = MKDEV(major,minor);
- cls = class_create(THIS_MODULE,"helloclass");
- if(IS_ERR(cls))
- {
- unregister_chrdev(major,"hello");
- return result;
- }
- test_device = device_create(cls,NULL,devno,NULL,"test");
- if(IS_ERR(test_device ))
- {
- class_destroy(cls);
- unregister_chrdev(major,"hello");
- return result;
- }
- sem_init(&sem,1);
- return 0;
- }
- static void hello_exit(void)
- {
- printk("hello_exit \n");
- device_destroy(cls,devno);
- class_destroy(cls);
- unregister_chrdev(major,"hello");
- return;
- }
- module_init(hello_init);
- module_exit(hello_exit);
- MODULE_LICENSE("GPL");
- MODULE_AUTHOR("daniel.peng")；
測(cè)試程序 test.c
- #include <stdio.h>
- #include <sys/types.h>
- #include <sys/stat.h>
- #include <fcntl.h>
- main()
- {
- int fd;
- printf("before open\n ");
- fd = open("/dev/test",O_RDWR); //原子變量 0
- if(fd<0)
- {
- perror("open fail \n");
- return;
- }
- printf("open ok ,sleep......\n ");
- sleep(20);
- printf("wake up from sleep!\n ");
- close(fd); //加為1
- }
編譯步驟
1 make 生成 hello.ko
2 gcc test.c -o a
3 gcc test.c -o b
測(cè)試步驟
1.安裝驅(qū)動(dòng)
- insmod hello.ko
2.先運(yùn)行進(jìn)程A，在運(yùn)行進(jìn)程B
可見(jiàn)進(jìn)程A成功打開(kāi)設(shè)備，在進(jìn)程A sleep期間會(huì)一直占有該字符設(shè)備，進(jìn)程B由于無(wú)法獲得信號(hào)量，進(jìn)入休閑，結(jié)合代碼可知，進(jìn)程B被阻塞在函數(shù)open()中。
3.進(jìn)程A 結(jié)束了sleep，并釋放字符設(shè)備以及信號(hào)量，進(jìn)程B被喚醒獲得信號(hào)量，并成功打開(kāi)了字符設(shè)備。
進(jìn)程B執(zhí)行完sleep函數(shù)后退出，并釋放字符設(shè)備和信號(hào)量。
讀-寫(xiě)信號(hào)量
跟自旋鎖一樣，信號(hào)量也有區(qū)分讀-寫(xiě)信號(hào)量之分。
如果一個(gè)讀寫(xiě)信號(hào)量當(dāng)前沒(méi)有被寫(xiě)者擁有并且也沒(méi)有寫(xiě)者等待讀者釋放信號(hào)量，那么任何讀者都可以成功獲得該讀寫(xiě)信號(hào)量;否則，讀者必須被掛起直到寫(xiě)者釋放該信號(hào)量。如果一個(gè)讀寫(xiě)信號(hào)量當(dāng)前沒(méi)有被讀者或?qū)懻邠碛胁⑶乙矝](méi)有寫(xiě)者等待該信號(hào)量，那么一個(gè)寫(xiě)者可以成功獲得該讀寫(xiě)信號(hào)量，否則寫(xiě)者將被掛起，直到?jīng)]有任何訪問(wèn)者。因此，寫(xiě)者是排他性的，獨(dú)占性的。
讀寫(xiě)信號(hào)量有兩種實(shí)現(xiàn)，一種是通用的，不依賴于硬件架構(gòu)，因此，增加新的架構(gòu)不需要重新實(shí)現(xiàn)它，但缺點(diǎn)是性能低，獲得和釋放讀寫(xiě)信號(hào)量的開(kāi)銷(xiāo)大;另一種是架構(gòu)相關(guān)的，因此性能高，獲取和釋放讀寫(xiě)信號(hào)量的開(kāi)銷(xiāo)小，但增加新的架構(gòu)需要重新實(shí)現(xiàn)。在內(nèi)核配置時(shí)，可以通過(guò)選項(xiàng)去控制使用哪一種實(shí)現(xiàn)。
讀寫(xiě)信號(hào)量的相關(guān)API：
- DECLARE_RWSEM(name)
該宏聲明一個(gè)讀寫(xiě)信號(hào)量name并對(duì)其進(jìn)行初始化。
- void init_rwsem(struct rw_semaphore *sem);
該函數(shù)對(duì)讀寫(xiě)信號(hào)量sem進(jìn)行初始化。
- void down_read(struct rw_semaphore *sem);
讀者調(diào)用該函數(shù)來(lái)得到讀寫(xiě)信號(hào)量sem。該函數(shù)會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因此只能在進(jìn)程上下文使用。
- int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem);
該函數(shù)類似于down_read，只是它不會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠。它盡力得到讀寫(xiě)信號(hào)量sem，如果能夠立即得到，它就得到該讀寫(xiě)信號(hào)量，并且返回1，否則表示不能立刻得到該信號(hào)量，返回0。因此，它也可以在中斷上下文使用。
- void down_write(struct rw_semaphore *sem);
寫(xiě)者使用該函數(shù)來(lái)得到讀寫(xiě)信號(hào)量sem，它也會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因此只能在進(jìn)程上下文使用。
- int down_write_trylock(struct rw_semaphore *sem);
該函數(shù)類似于down_write，只是它不會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠。該函數(shù)盡力得到讀寫(xiě)信號(hào)量，如果能夠立刻獲得，就獲得該讀寫(xiě)信號(hào)量并且返回1，否則表示無(wú)法立刻獲得，返回0。它可以在中斷上下文使用。
- void up_read(struct rw_semaphore *sem);
讀者使用該函數(shù)釋放讀寫(xiě)信號(hào)量sem。它與down_read或down_read_trylock配對(duì)使用。
如果down_read_trylock返回0，不需要調(diào)用up_read來(lái)釋放讀寫(xiě)信號(hào)量，因?yàn)楦揪蜎](méi)有獲得信號(hào)量。
- void up_write(struct rw_semaphore *sem);
寫(xiě)者調(diào)用該函數(shù)釋放信號(hào)量sem。它與down_write或down_write_trylock配對(duì)使用。如果down_write_trylock返回0，不需要調(diào)用up_write，因?yàn)榉祷?表示沒(méi)有獲得該讀寫(xiě)信號(hào)量。
- void downgrade_write(struct rw_semaphore *sem);
該函數(shù)用于把寫(xiě)者降級(jí)為讀者，這有時(shí)是必要的。因?yàn)閷?xiě)者是排他性的，因此在寫(xiě)者保持讀寫(xiě)信號(hào)量期間，任何讀者或?qū)懻叨紝o(wú)法訪問(wèn)該讀寫(xiě)信號(hào)量保護(hù)的共享資源，對(duì)于那些當(dāng)前條件下不需要寫(xiě)訪問(wèn)的寫(xiě)者，降級(jí)為讀者將，使得等待訪問(wèn)的讀者能夠立刻訪問(wèn)，從而增加了并發(fā)性，提高了效率。
讀寫(xiě)信號(hào)量適于在讀多寫(xiě)少的情況下使用，在linux內(nèi)核中對(duì)進(jìn)程的內(nèi)存映像描述結(jié)構(gòu)的訪問(wèn)就使用了讀寫(xiě)信號(hào)量進(jìn)行保護(hù)。
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