semaphore 实现机制

相关数据结构
首先看看信号量的相关数据结构:
<include/linux/semaphore.h>
struct semaphore {
spinlock_t lock; #lock应该是这个信号量的自旋锁
unsigned int count; #count表示的是这个信号量的计数器
struct list_head wait_list; #wait_list顾名思义应该是等待链表了
};
信号量的数据结构就这么简单.那么信号量的初始化是怎么做的呢?还有大家熟悉的信号量P,V操作是怎么实现的呢?
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信号量的初始化:
#define DECLARE_MUTEX(name) \
struct semaphore name = __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, 1)
#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
}
也可以用以下方法来初始化信号量:
static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val)
{
static struct lock_class_key __key;
*sem = (struct semaphore) __SEMAPHORE_INITIALIZER(*sem, val);
lockdep_init_map(&sem->lock.dep_map, "semaphore->lock", &__key, 0);
}
#define init_MUTEX(sem) sema_init(sem, 1)
#define init_MUTEX_LOCKED(sem) sema_init(sem, 0)
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PV操作:
首先看看P操作
<kernel/semaphore.c>
void up(struct semaphore *sem)
{
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
if (likely(list_empty(&sem->wait_list)))#如果等待链表为空,表示没有正在等待此信号量的进程,count++就行
sem->count++;
else
__up(sem);
spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}
如果等待链表为空,表示没有正在等待此信号量的进程,count++就行
如果等待链表不为空,也就是还有进程在等待此信号量,那么此时进入到__up()这个函数中:
<kernel/semaphore.c>
static noinline void __sched __up(struct semaphore *sem)
{
#取出等待链表中的最前面的那个进程
struct semaphore_waiter *waiter = list_first_entry(&sem->wait_list,
struct semaphore_waiter, list);
list_del(&waiter->list); #将这个进程从等待链表中删除
waiter->up = 1;
wake_up_process(waiter->task); #唤醒这个进程
}
此函数从等待列表中移出最前面的那个进程,然后唤醒它
<kernel/semaphore.c>
struct semaphore_waiter {
struct list_head list; #链表项
struct task_struct *task; #进程结构,也可以叫做进程PCB
int up;
};
这个结构主要就是用来辅助把进程放到信号量的等待队列,后面的V操作会再介绍它
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V操作:
<kernel/semaphore.c>
void down(struct semaphore *sem)
{
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags); #要对sem进行操作了,加锁
if (likely(sem->count > 0)) #如果count>0,直接count--就行了
sem->count--;
else
__down(sem); #调用__down()
spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags); #对sem操作完毕,释放锁
}
如果count是<=0的,那么调用__down()来把进程放进等待队列里,现在看看__down()是怎么实现的
<kernel/semaphore.c>
static noinline void __sched __down(struct semaphore *sem)
{
__down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);
}
static inline int __sched __down_common(struct semaphore *sem, long state, long timeout)
{
struct task_struct *task = current; #得到当前正在运行的进程
struct semaphore_waiter waiter;
list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list); #将waiter加到链表sem->wait_list后面
waiter.task = task; #waiter的task设置成正在运行的这个进程
waiter.up = 0;
for (;;) {
if (signal_pending_state(state, task)) #如果进程被一个意外的信号中断,直接放弃等待(从等待链表中删除),返回-EINTR错误号
goto interrupted;
if (timeout <= 0) #如果等待时间到,从等待链表中删除之,返回-ETIME错误号
goto timed_out;
__set_task_state(task, state); #设置进程状态为TASK_UNINTERRUPTIBLE
spin_unlock_irq(&sem->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;
}
该函数首先申请一个semaphore_waiter结构,
<kernel/semaphore.c>
struct semaphore_waiter {
struct list_head list;
struct task_struct *task;
int up;
};
然后将这个结构加入到sem信号量的等待链表sem->wait_list中,
接着将当前进程task填入waiter.task中,
然后在一个循环中进行进程调度schedule_timeout,每进行一次调度,timeout会减小
如果当前进程task的状态位就绪,则跳转到interrupt,从信号量列表sem->wait_list中删除这个任务对应的节点
如果遇到意外的信号或者等待时间到,从信号量列表sem->wait_list中删除这个任务对应的节点,返回相应的错误号
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其他V操作
内核还提供了其他几种V操作:
static noinline int __down_interruptible(struct semaphore *sem);
static noinline int __down_killable(struct semaphore *sem);
static noinline int __down_timeout(struct semaphore *sem, long jiffies);
这里就不一一介绍了,感兴趣的同学可以去研究研究.
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写到这里,你是否能感悟到怎么写

sem_open,sem_wait,sem_post,sem_unlink