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信号量基础总结

信号量

在linux中信号量可以看作是一种睡眠锁，允许进程进入睡眠状态，其过程如下：

存在一个 Task获得已占用的信号量，信号量将task推进等待队列让其处于睡眠状态，CPU处理其他任务，当signal被释放，则将处于等待队列睡眠的task唤醒，重获该信号量，由于争用信号量的进程在等待锁重新变为可用时会处于睡眠状态，故信号量适用于锁被长时间持有的状态。

信号量在同一时刻下允许任意数量的锁持有者，分为二进制信号量和计数信号量两种，初始化时将使用者数量计数为1则记为二进制信号量，同一时刻至多有1个CPU持有者，初始化时将使用者数量>1，记为计数信号量，同一时刻至多有count个CPU持有者。

将信号量看作一个计数器，其核心支持两个操作原语P（down）、V（up)操作，其down操作对信号量计数递减去请求获得一个信号量，其递减结果>=0则获得该信号量锁并将任务进入临界区，递减结果<0则将会task放置于等待队列；up操作对信号量计数递增判断当前信号量上的等待队列是否为空，不为空则将处于等待队列的任务唤醒同时获得该信号量。

semaphore数据结构：

struct semaphore {

  raw_spinlock_t    lock; //自旋锁  保护count、wait_list

  unsigned int     count;//允许进入临界区的内核执行路径个数

  struct list_head   wait_list;//管理所有基于该信号量睡眠的进程，没有成功获得信号量锁的进程会进入该链表睡眠

};

sema_init

sema_init()完成信号量的初始化工作，__SEMAPHORE_INITIALIZER 宏将将sem的的值为val =1 填充semaphore结构。

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);//初始化锁依赖映射，支持锁依赖检查工具(lockdep)
    
}

#define __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, n)         \

{                  \

  .lock    = __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED((name).lock),   \

  .count    = n,             \

  .wait_list  = LIST_HEAD_INIT((name).wait_list),   \

}

其利用__RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED宏初始化信号量内部的锁，count设置为n即信号量可以被获取n次，LIST_HEAD_INIT宏来初始化name的wait_list成员。

down_interruptible

int down_interruptible(struct semaphore *sem)

{

  unsigned long flags; // 用于保存中断状态的变量

  int result = 0;//0表示成功获取信号量

  might_sleep();

  raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);//关闭本地cpu中断

  if (likely(sem->count > 0))//根据信号量计数判断进入临界区

    sem->count--;

  else//无法获得信号量，将进程推进于等待队列

    result = __down_interruptible(sem);//睡眠

  raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);//释放锁

  return result;

}

试图获取指定的信号量，核心操作根据对信号量的计数值count判断是否进入临界区，如果信号量的count>0则表明成功获取了信号量锁且任务可以进入临界区，否则将获取信号量锁失败，任务推进于等待队列，调用__down_interruptible()执行睡眠操作。

static noinline int __sched __down_interruptible(struct semaphore *sem)

{

  return __down_common(sem, TASK_INTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);

}

执行核心函数为__down_common()。

__down_common

static inline int __sched __down_common(struct semaphore *sem, long state,

                long timeout)

{

  struct semaphore_waiter waiter;//

  list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);//

  waiter.task = current;

  waiter.up = false;

  for (;;) {

    if (signal_pending_state(state, current))

      goto interrupted;

    if (unlikely(timeout <= 0))

      goto timed_out;

    __set_current_state(state);

    raw_spin_unlock_irq(&sem->lock);

    timeout = schedule_timeout(timeout);

    raw_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;

}

其中semaphore_waiter数据结构描述获取信号量失败的进程，list_add_tail()将当前进程放在sem的wait_list成员中，添加到信号量等待队列尾部，执行for循环，signal_pending_state()/检查当前进程是否有待处理的信号，对于被超时/其他cpu发送的信号唤醒的进程，跳转interrupted/timed_out，调用schedule_timeout()主动让出CPU，根据waiter.up为true，则当前睡眠在等待队列中的进程被信号量的up操作唤醒，进程获得该信号量。

up

void up(struct semaphore *sem)

{

  unsigned long flags;//保存中断状态

  raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);

  if (likely(list_empty(&sem->wait_list)))

    sem->count++;

  else

    __up(sem);//唤醒

  raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);

}

判断当前信号量上的等待队列是否为空，为空则没有进程在等待该信号量，将信号量的计数递增，否则说明有进程在等待队列中处于睡眠状态，调用__up()将其唤醒。

static noinline void __sched __up(struct semaphore *sem)

{

  struct semaphore_waiter *waiter = list_first_entry(&sem->wait_list,

            struct semaphore_waiter, list);

  list_del(&waiter->list);

  waiter->up = true;

  wake_up_process(waiter->task);

}

up操作释放信号量与down操作一致，当有进程在等待信号量时，该函数负责将等待队列中基于该信号量的进程唤醒，由于使用的是先进先出队列，所以在

down()函数中通过list_add_tail()函数将进程添加置尾部，在up()函数中list_first_entry()寻找等待队列的第一个等待者，将其出队，设置其标志为true，调用wake_up_process()函数唤醒waiter->task进程，判断标准是对waiter->up的标志进行判断，如果为true则成功唤醒进程并成功获取信号量，否则失败。

信号在Linux中的标识

每个信号都由一个唯一的数字标识符来表示，这些数字被称为信号编号。信号编号是整数值，通常用正整数来表示，在shell中使用kill -l查看Linux系统支持的全部信号。

Linux信号机制基本上是从Unix系统中继承过来的，定义在signal.h中，在Linux中没有16和32这两个信号。信号含义如下：

SIGHUP：当用户退出Shell时，由该Shell启的发所有进程都退接收到这个信号，默认动作为终止进程。
SIGINT：用户按下组合键时，用户端时向正在运行中的由该终端启动的程序发出此信号。默认动作为终止进程。
SIGQUIT：当用户按下组合键时产生该信号，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出此信号。默认动作为终止进程并产生core文件。
SIGILL ：CPU检测到某进程执行了非法指令。默认动作为终止进程并产生core文件。
SIGTRAP：该信号由断点指令或其他trap指令产生。默认动作为终止进程并产生core文件。
SIGABRT：调用abort函数时产生该信号。默认动作为终止进程并产生core文件。
SIGBUS：非法访问内存地址，包括内存地址对齐（alignment）出错，默认动作为终止进程并产生core文件。
SIGFPE：在发生致命的算术错误时产生。不仅包括浮点运行错误，还包括溢出及除数为0等所有的算术错误。默认动作为终止进程并产生core文件。
SIGKILL：无条件终止进程。本信号不能被忽略、处理和阻塞。默认动作为终止进程。它向系统管理员提供了一种可以杀死任何进程的方法。
SIGUSR1：用户定义的信号，即程序可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
SIGSEGV：指示进程进行了无效的内存访问。默认动作为终止进程并使用该信号。默认动作为终止进程。
SIGUSR2：这是另外一个用户定义信号，程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
SIGPIPE：Broken pipe：向一个没有读端的管道写数据。默认动作为终止进程。
SIGALRM：定时器超时，超时的时间由系统调用alarm设置。默认动作为终止进程。
SIGTERM：程序结束(terminate)信号，与SIGKILL不同的是，该信号可以被阻塞和处理。通常用来要求程序正常退出。执行Shell命令kill时，缺少产生这个信号。默认动作为终止进程。
SIGCHLD：子程序结束时，父进程会收到这个信号。默认动作为忽略该信号。
SIGCONT：让一个暂停的进程继续执行。
SIGSTOP：停止(stopped)进程的执行。注意它和SIGTERM以及SIGINT的区别：该进程还未结束，只是暂停执行。本信号不能被忽略、处理和阻塞。默认作为暂停进程。
SIGTSTP：停止进程的动作，但该信号可以被处理和忽略。按下组合键时发出该信号。默认动作为暂停进程。
SIGTTIN：当后台进程要从用户终端读数据时，该终端中的所有进程会收到SIGTTIN信号。默认动作为暂停进程。
SIGTTOU：该信号类似于SIGTIN，在后台进程要向终端输出数据时产生。默认动作为暂停进程。
SIGURG：套接字（socket）上有紧急数据时，向当前正在运行的进程发出此信号，报告有紧急数据到达。默认动作为忽略该信号。
SIGXCPU：进程执行时间超过了分配给该进程的CPU时间，系统产生该信号并发送给该进程。默认动作为终止进程。
SIGXFSZ：超过文件最大长度的限制。默认动作为yl终止进程并产生core文件。
SIGVTALRM：虚拟时钟超时时产生该信号。类似于SIGALRM，但是它只计算该进程占有用的CPU时间。默认动作为终止进程。
SIGPROF：类似于SIGVTALRM，它不仅包括该进程占用的CPU时间还抱括执行系统调用的时间。默认动作为终止进程。
SIGWINCH：窗口大小改变时发出。默认动作为忽略该信号。
SIGIO：此信号向进程指示发出一个异步IO事件。默认动作为忽略。
SIGPWR：关机。默认动作为终止进程。
SIGRTMIN~SIGRTMAX：Linux的实时信号，它没有固定的含义(或者说可以由用户自由使用)。注意，Linux线程机制使用了前3个实时信号。所有的实时信号的默认动作都是终止进程。

对上述信号进行分类，如下：

程序不可捕获、阻塞	SIGKILL、SIGSTOP
不能恢复至默认动作	SIGILL、SIGTRAP
默认会导致进程流产	SIGABRT、SIGBUS、SIGFPE、SIGILL、SIGIOT、SIGQUIT、SIGSEGV、SIGTRAP、SIGXCPU、SIGXFSZ
默认会导致进程停止	SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN、SIGTTOU
默认会导致进程退出	SIGALRM、SIGHUP、SIGINT、SIGKILL、SIGPIPE、SIGPOLL、SIGPROF、SIGSYS、SIGTERM、SIGUSR1、SIGUSR2、SIGVTALRM
默认进程忽略	SIGCHLD、SIGPWR、SIGURG、SIGWINCH

其中SIGHUP~ SIGSYS继承自UNIX系统，称其不可靠信号，而SIGRTMIN ~ SIGRTMAX来自POSIX标准标准定义，称其为可靠信号/实时信号。

对于不可靠信号可以将其理解为，当基于信号产生软中断时，内核会在进程表中设置标志，该标志表示内核向一个进程传递了一个信号，假设设定该信号为阻塞，在进程解除该阻塞状态之前，阻塞信号被传递多次则成其为可靠信号，同理被传递了一次称其为不可靠信号。

使用信号目的：

让进程知道已经发生了一个特定的事件；
强迫进程执行它自己代码中的信号处理程序。

信号处理相关函数

signal()

typedef void (*sighandler_t)(int)；
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler));

功能：signal() 函数用于注册信号处理函数，指定在接收到特定信号时要执行的操作。

第一个参数指定信号的值
第二个参数指向信号处理函数的指针，可以是自定义函数或内置的信号处理函数。返回值：返回一个函数指针，指向以前注册的信号处理函数。

sigaction()

int sigaction(int signum,const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact));

功能：改变进程接收到特定信号后行为。

第一个参数为信号的值
第二个参数是指向结构sigaction的一个实例的指针，指定了对特定信号的处理
第三个参数指向的对象用来保存原来对相应信号的处理

raise()

 int raise(int sig)

功能：对当前进程发送指定信号

pause()

int pause(void)

功能：将进程挂起等待信号

kill()

int kill(pid_t pid,int sig)

功能：通过进程编号发送信号

alarm()

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

功能：指定时间（秒）发送SIGALRM信号。 seconds 为0 时取消所有已设置的alarm请求

sigqueue()

int sigqueue(pid_t pid,int sig,const union sigval val)