【系列文章】Linux中的并发与竞争[04]-信号量

该文章为系列文章：Linux中的并发与竞争中的第4篇
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在上面两篇文章对自旋锁和自旋锁死锁进行了学习，自旋锁会让请求的任务原地“自旋”，在等待的过程中会循环检测自旋锁的状态，进而占用系统资源，而本章节要讲解的信号量也是解决竞争的一种常用方法，与自旋锁不同的是，信号量会使等待的线程进入休眠状态，适用于那些占用资源比较久的场合。下面对信号量相关知识的进行讲解。

一、信号量

信号量是操作系统中最典型的用于同步和互斥的手段，本质上是一个全局变量，信号量的值表示控制访问资源的线程数，可以根据实际情况来自行设置，如果在初始化的时候将信号量量值设置为大于 1，那么这个信号量就是计数型信号量，允许多个线程同时访问共享资源。如果将信号量量值设置为 1，那么这个信号量就是二值信号量，同一时间内只允许一个线程访问共享资源，注意！信号量的值不能小于 0。当信号量的值为 0 时，想访问共享资源的线程必须等待，直到信号量大于 0 时，等待的线程才可以访问。当访问共享资源时，信号量执行“减一”操作，访问完成后再执行“加一”操作。

相比于自旋锁，信号量具有休眠特性，因此适用长时间占用资源的场合，但由于信号量会引起休眠，所以不能用在中断函数中，最后如果共享资源的持有时间比较短，使用信号量的话会造成频繁的休眠，反而带来更多资源的消耗，使用自旋锁反而效果更好。再同时使用信号量和自旋锁的时候，要先获取信号量，再使用自旋锁，因为信号量会导致睡眠。

以现实生活中的银行办理业务为例，银行的业务办理窗口就是共享资源，业务办理窗口的数量就是信号量量值，进入银行之后，客户需要领取相应的排序码，然后在休息区进行等待，可以看作线程的睡眠阶段，当前面的客户办理完业务之后，相应的窗口会空闲出来，可以看作信号量的释放，之后银行会通过广播，提醒下一位客户到指定的窗口进行业务的办理，可以看作线程的唤醒并获取到信号量，访问共享资源的过程。

Linux 内核使用 semaphore 结构体来表示信号量，该结构体定义在“内核源码/include/linux/semaphore.h”文件内，结构体内容如下所示：

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

与信号量相关的 API 函数同样定义在 semaphore.h 文件内，部分常用 API 函数如下：

函数	描述
DEFINE_SEAMPHORE(name)	定义信号量，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，不能被中断打断，如ctrl+c
int down_interruptible(struct semaphore *sem)	获取信号量，可以被中断打断，如ctrl+c
void up(struct semaphore *sem)	释放信号量
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

二、实验程序的编写

2.1驱动程序编写

与之前章节设置标志位，在同一时间内只允许一个任务对共享资源进行访问的方式所不同，本小节将采用信号量的方式避免竞争的产生。本实验设置的信号量量值为 1，所以需要在open()函数中加入信号量获取函数，在 release()函数中加入信号量释放函数即可。

编写完成的 semaphore.c 代码如下所示

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/semaphore.h>struct semaphore semaphore_test;//定义一个 semaphore 类型的结构体变量 semaphore_teststatic int open_test(struct inode *inode,struct file *file)
{printk("\nthis is open_test \n");down(&semaphore_test);//信号量数量减 1return 0;
}
static ssize_t read_test(struct file *file,char __user *ubuf,size_t len,loff_t *off)
{int ret;char kbuf[10] = "topeet";//定义 char 类型字符串变量 kbufprintk("\nthis is read_test \n");ret = copy_to_user(ubuf,kbuf,strlen(kbuf));//使用 copy_to_user 接收用户空间传递的数据if (ret != 0){printk("copy_to_user is error \n");}printk("copy_to_user is ok \n");return 0;
}static char kbuf[10] = {0};//定义 char 类型字符串全局变量 kbufstatic ssize_t write_test(struct file *file,const char __user *ubuf,size_t len,loff_t *off)
{int ret;ret = copy_from_user(kbuf,ubuf,len);//使用 copy_from_user 接收用户空间传递的数据if (ret != 0){printk("copy_from_user is error\n");}if(strcmp(kbuf,"topeet") == 0 ){//如果传递的 kbuf 是 topeet 就睡眠四秒钟ssleep(4);}else if(strcmp(kbuf,"itop") == 0){//如果传递的 kbuf 是 itop 就睡眠两秒钟ssleep(2);}printk("copy_from_user buf is %s \n",kbuf);return 0;
}static int release_test(struct inode *inode,struct file *file)
{up(&semaphore_test);//信号量数量加 1printk("\nthis is release_test \n");return 0;
}struct chrdev_test {dev_t dev_num;//定义 dev_t 类型变量 dev_num 来表示设备号int major,minor;//定义 int 类型的主设备号 major 和次设备号 minorstruct cdev cdev_test;//定义 struct cdev 类型结构体变量 cdev_test，表示要注册的字符设备struct class *class_test;//定于 struct class *类型结构体变量 class_test，表示要创建的类
};
struct chrdev_test dev1;//创建 chrdev_test 类型的struct file_operations fops_test = {.owner = THIS_MODULE,//将 owner 字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块.open = open_test,//将 open 字段指向 open_test(...)函数.read = read_test,//将 read 字段指向 read_test(...)函数.write = write_test,//将 write 字段指向 write_test(...)函数.release = release_test,//将 release 字段指向 release_test(...)函数
};static int __init atomic_init(void)
{sema_init(&semaphore_test,1);//初始化信号量结构体 semaphore_test，并设置信号量的数量为 1if(alloc_chrdev_region(&dev1.dev_num,0,1,"chrdev_name") < 0 ){//自动获取设备号，设备名chrdev_nameprintk("alloc_chrdev_region is error \n");}printk("alloc_chrdev_region is ok \n");dev1.major = MAJOR(dev1.dev_num);//使用 MAJOR()函数获取主设备号dev1.minor = MINOR(dev1.dev_num);//使用 MINOR()函数获取次设备号printk("major is %d,minor is %d\n",dev1.major,dev1.minor);//使用 cdev_init()函数初始化 cdev_test 结构体，并链接到fops_test 结构体cdev_init(&dev1.cdev_test,&fops_test);//将 owner 字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块dev1.cdev_test.owner = THIS_MODULE;cdev_add(&dev1.cdev_test,dev1.dev_num,1);//使用 cdev_add()函数进行字符设备的添加//使用 class_create 进行类的创建，类名称为class_testdev1.class_test = class_create(THIS_MODULE,"class_test");//使用 device_create 进行设备的创建，设备名称为 device_testdevice_create(dev1.class_test,0,dev1.dev_num,0,"device_test");return 0;
}static void __exit atomic_exit(void)
{device_destroy(dev1.class_test,dev1.dev_num);//删除创建的设备class_destroy(dev1.class_test);//删除创建的类cdev_del(&dev1.cdev_test);//删除添加的字符设备 cdev_testunregister_chrdev_region(dev1.dev_num,1);//释放字符设备所申请的设备号printk("module exit \n");
}module_init(atomic_init);
module_exit(atomic_exit)
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_AUTHOR("topeet");

2.2编写测试 APP

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[])
{int fd;//定义 int 类型的文件描述符char str1[10] = {0};//定义读取缓冲区 str1fd = open(argv[1],O_RDWR);//调用 open 函数，打开输入的第一个参数文件，权限为可读可写if(fd < 0 ){printf("file open failed \n");return -1;}/*如果第二个参数为 topeet，条件成立，调用 write 函数，写入 topeet*/if (strcmp(argv[2],"topeet") == 0 ){write(fd,"topeet",10);}/*如果第二个参数为 itop，条件成立，调用 write 函数，写入 itop*/else if (strcmp(argv[2],"itop") == 0 ){write(fd,"itop",10);}close(fd);return 0;
}

2.3运行测试

使用以下命令运行测试 app

./app /dev/device_test topeet

可以看到传递的 buf 值为 topeet，然后输入以下命令在后台运行两个 app，来进行竞争测试，运行结果如下图所示：

./app /dev/device_test topeet &
./app /dev/device_test itop

上述打印信息正常，证明数据被正确传递了，没有发生共享资源的竞争，第一个任务运行之后，由于设置的信号量量值为 1，所以第二个任务会进入休眠状态，第一个任务执行完毕之后，会唤醒第二个任务去执行，所以避免了并发与竞争。