Linux信号量以及互斥体

一、信号量简介

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。

二、信号量API函数

Linux内核使用semaphore结构体表示信号量,结构体如下:

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

要想使用信号量就得先定义,然后初始化信号量。有关信号量的API函数如下表所示:

函数 描述
DEFINE_SEAMPHORE(name) 定义一个信号量,并且设置信号量的值为1。
void sema_init(struct semaphore *sem,int val) 初始化信号量sem,设置信号量值为val。
void down(struct semaphore *sem) 获取信号量,因为会导致休眠,因此不能在中断中使用。
int down_trylock(struct semaphore *sem) 尝试获取信号量,如果能获取到信号量就获取,并且返回0。如果不能就返回非0,并且不会进入休眠。
int down_interruptible(struct semaphore *sem) 获取信号量,和down类似,只是使用down进入休眠状态的线程不能被信号打断。而使用此函数进入休眠以后是可以被信号打断的。
void up(struct semaphore *sem) 释放信号量。

信号量的使用框架如下:

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*/

三、互斥体简介

在FreeRTOS和UCOS中也有互斥体,将信号量的值设置为1就可以使用信号量进行互斥访问了,虽然可以通过信号量实现互斥,但是Linux提供了一个比信号量更专业的机制来进行互斥,它就是互斥体——mutex。互斥访问表示一次只有一个线程可以访问共享资源,不能递归申请互斥体。在编写Linux驱动的时候遇到需要互斥访问的地方建议使用mutex。Linux内核使用mutex结构体表示互斥体,定义如下:

struct mutex{
	atomic_t    count;
	spinlock_t  wait_lock;
};

在使用mutex之前要先定义一个mutex变量。在使用mutex的时候要注意如下几点:

  • ①、mutex可以导致休眠,因此不能在中断中使用mutex,中断中只能使用自旋锁。
  • ②、和信号量一样,mutex保护的临界区可以调用引起阻塞的API函数。
  • ③、因为一次只有一个线程可以持有mutex,因此,必须由mutex的持有者释放mutex。并且mutex不能递归上锁和解锁。

四、互斥体API函数

有关互斥体的API函数如下表所示:

函数 描述
DEFINE_MUTEX(name) 定义并初始化一个mutex变量。
void mutex_init(mutex *lock) 初始化mutex。
void mutex_lock(struct mutex *lock) 获取mutex,也就是给mutex上锁。如果获取不到就进休眠。
void mutex_unlock(struct mutex *lock) 释放mutex,也就给mutex解锁。
int mutex_trylock(struct mutex *lock) 尝试获取mutex,如果成功就返回1,如果失败就返回0。
int mutex_is_locked(struct mutex *lock) 判断mutex是否被获取,如果是的话就返回1,否则返回0。
int mutex_ interruptible(struct mutex *lock) 使用此函数获取信号量失败进入休眠以后可以被信号打断。

互斥体的使用框架如下:

struct mutex lock;/*定义一个互斥体*/
mutex_init(&lock);/*初始化互斥体*/

mutex_lock(&lock);/*上锁*/
/*临界区*/
mutex_unlock(&lock);/*解锁*/

Linux信号量、互斥体就讲解到这里啦!

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