i.MX6ULL终结者Linux并发与竞争信号量

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1 信号量简介

大家如果有学习过 FreeRTOS 或者 UCOS 的话就应该对信号量很熟悉,因为信号量是同步的一种方式。Linux 内核也提供了信号量机制,信号量常常用于控制对共享资源的访问。举一个很常见的例子,某个停车场有 100 个停车位,这 100 个停车位大家都可以用,对于大家来说这100 个停车位就是共享资源。假设现在这个停车场正常运行,你要把车停到这个这个停车场肯定要先看一下现在停了多少车了?还有没有停车位?当前停车数量就是一个信号量,具体的停车数量就是这个信号量值,当这个值到 100 的时候说明停车场满了。停车场满的时你可以等一会看看有没有其他的车开出停车场,当有车开出停车场的时候停车数量就会减一,也就是说信号量减一,此时你就可以把车停进去了,你把车停进去以后停车数量就会加一,也就是信号量加一。这就是一个典型的使用信号量进行共享资源管理的案例,在这个案例中使用的就是计数型信号量。

相比于自旋锁,信号量可以使线程进入休眠状态,比如 A 与 B、C 合租了一套房子,这个房子只有一个厕所,一次只能一个人使用。某一天早上 A 去上厕所了,过了一会 B 也想用厕所,因为 A 在厕所里面,所以 B 只能等到 A 用来了才能进去。B 要么就一直在厕所门口等着,等 A 出来,这个时候就相当于自旋锁。B 也可以告诉 A,让 A 出来以后通知他一下,然后 B 继续回房间睡觉,这个时候相当于信号量。可以看出,使用信号量会提高处理器的使用效率,毕竟不用一直傻乎乎的在那里“自旋”等待。但是,信号量的开销要比自旋锁大,因为信号量使线程进入休眠状态以后会切换线程,切换线程就会有开销。总结一下信号量的特点:
①、因为信号量可以使等待资源线程进入休眠状态,因此适用于那些占用资源比较久的场合。
②、因此信号量不能用于中断中,因为信号量会引起休眠,中断不能休眠。
③、如果共享资源的持有时间比较短,那就不适合使用信号量了,因为频繁的休眠、切换线程引起的开销要远大于信号量带来的那点优势。

信号量有一个信号量值,相当于一个房子有 10 把钥匙,这 10 把钥匙就相当于信号量值为10。因此,可以通过信号量来控制访问共享资源的访问数量,如果要想进房间,那就要先获取一把钥匙,信号量值减 1,直到 10 把钥匙都被拿走,信号量值为 0,这个时候就不允许任何人进入房间了,因为没钥匙了。如果有人从房间出来,那他要归还他所持有的那把钥匙,信号量值加 1,此时有 1 把钥匙了,那么可以允许进去一个人。相当于通过信号量控制访问资源的线程数,在初始化的时候将信号量值设置的大于 1,那么这个信号量就是计数型信号量,计数型信号量不能用于互斥访问,因为它允许多个线程同时访问共享资源。如果要互斥的访问共享资源那么信号量的值就不能大于 1,此时的信号量就是一个二值信号量。

2 信号量相关函数

Linux 内核使用 semaphore 结构体表示信号量,结构体内容如下所示:

struct semaphore { 
raw_spinlock_t lock; 
unsigned int count; 
struct list_head wait_list; 
};

信号量相关函数如下所示:
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信号量的使用如下所示:

struct semaphore sem; /* 定义信号量 */ 

sema_init(&sem, 1); /* 初始化信号量 */

down(&sem); 
/* 申请信号量 */ 
/* 临界区 */ 
up(&sem); 		/* 释放信号量 */

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