信號量、互斥體和自旋鎖

一、信號量

      信號量又稱爲信號燈，它是用來協調不同進程間的數據對象的，而最主要的應用是共享內存方式的進程間通信。本質上，信號量是一個計數器，它用來記錄對某個資源（如共享內存）的存取狀況。一般說來，爲了獲得共享資源，進程需要執行下列操作： 
　　 （1） 測試控制該資源的信號量。 
　　 （2） 若此信號量的值爲正，則允許進行使用該資源。進程將信號量減1。 
　　 （3） 若此信號量爲0，則該資源目前不可用，進程進入睡眠狀態，直至信號量值大於0，進程被喚醒，轉入步驟（1）。 
　　 （4） 當進程不再使用一個信號量控制的資源時，信號量值加1。如果此時有進程正在睡眠等待此信號量，則喚醒此進程。 
　 　 維護信號量狀態的是Linux內核操作系統而不是用戶進程。我們可以從頭文件/usr/src/linux/include/linux/sem.h 中看到內核用來維護信號量狀態的各個結構的定義。信號量是一個數據集合，用戶可以單獨使用這一集合的每個元素。要調用的第一個函數是semget，用以獲得一個信號量ID。Linux2.6.26下定義的信號量結構體：

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

從以上信號量的定義中，可以看到信號量底層使用到了spin lock的鎖定機制，這個spinlock主要用來確保對count成員的原子性的操作(count--)和測試(count > 0)。

1.信號量的P操作：
(1).void down(struct semaphore *sem);
(2).int down_interruptible(struct semaphore *sem);
(3).int down_trylock(struct semaphore *sem);

說明：

(1)中的函數根據2.6.26中的代碼註釋，這個函數已經out了(Use of this function is deprecated)，所以從實用角度，徹底忘了它吧。

(2)最常用，函數原型

/**
* down_interruptible - acquire the semaphore unless interrupted
* @sem: the semaphore to be acquired
*
* Attempts to acquire the semaphore.  If no more tasks are allowed to
* acquire the semaphore, calling this function will put the task to sleep.
* If the sleep is interrupted by a signal, this function will return -EINTR.
* If the semaphore is successfully acquired, this function returns 0.
*/
int down_interruptible(struct semaphore *sem)
{
        unsigned long flags;
        int result = 0;

        spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
        if (likely(sem->count > 0))
                sem->count--;
        else
                result = __down_interruptible(sem);
        spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);

        return result;
}

對此函數的理解：在保證原子操作的前提下，先測試count是否大於0，如果是說明可以獲得信號量，這種情況下需要先將count--，以確保別的進程能否獲得該信號量，然後函數返回，其調用者開始進入臨界區。如果沒有獲得信號量，當前進程利用struct semaphore 中wait_list加入等待隊列，開始睡眠。

對於需要休眠的情況，在__down_interruptible()函數中，會構造一個struct semaphore_waiter類型的變量（struct semaphore_waiter定義如下：

struct semaphore_waiter 
{         
        struct list_head list;         
        struct task_struct *task;         
        int up; 
};

），將當前進程賦給task，並利用其list成員將該變量的節點加入到以sem中的wait_list爲頭部的一個列表中，假設有多個進程在sem上調用down_interruptible，則sem的wait_list上形成的隊列如下圖：

(注：將一個進程阻塞，一般的經過是先把進程放到等待隊列中，接着改變進程的狀態，比如設爲TASK_INTERRUPTIBLE，然後調用調度函數schedule()，後者將會把當前進程從cpu的運行隊列中摘下)

(3)試圖去獲得一個信號量，如果沒有獲得，函數立刻返回1而不會讓當前進程進入睡眠狀態。

 

2.信號量的V操作

void up(struct semaphore *sem)；

原型如下：

/**
* up - release the semaphore
* @sem: the semaphore to release
*
* Release the semaphore.  Unlike mutexes, up() may be called from any
* context and even by tasks which have never called down().
*/
void up(struct semaphore *sem)
{
        unsigned long flags;

        spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
        if (likely(list_empty(&sem->wait_list)))
                sem->count++;
        else
                __up(sem);
        spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}

 如果沒有其他線程等待在目前即將釋放的信號量上，那麼只需將count++即可。如果有其他線程正因爲等待該信號量而睡眠，那麼調用__up.

 __up的定義：

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 = 1;
        wake_up_process(waiter->task);
}

這個函數首先獲得sem所在的wait_list爲頭部的鏈表的第一個有效節點，然後從鏈表中將其刪除，然後喚醒該節點上睡眠的進程。
由此可見，對於sem上的每次down_interruptible調用，都會在sem的wait_list鏈表尾部加入一新的節點。對於sem上的每次up調用，都會刪除掉wait_list鏈表中的第一個有效節點，並喚醒睡眠在該節點上的進程。

 

關於Linux環境下信號量其他API 詳見LKD和ULD

 

二、互斥體

      互斥體實現了“互相排斥”（mutual exclusion）同步的簡單形式（所以名爲互斥體(mutex)）。互斥體禁止多個線程同時進入受保護的代碼“臨界區”（critical section）。因此，在任意時刻，只有一個線程被允許進入這樣的代碼保護區。
　　任何線程在進入臨界區之前，必須獲取（acquire）與此區域相關聯的互斥體的所有權。如果已有另一線程擁有了臨界區的互斥體，其他線程就不能再進入其中。這些線程必須等待，直到當前的屬主線程釋放（release）該互斥體。
　　什麼時候需要使用互斥體呢？互斥體用於保護共享的易變代碼，也就是，全局或靜態數據。這樣的數據必須通過互斥體進行保護，以防止它們在多個線程同時訪問時損壞

 Linux 2.6.26中mutex的定義：

struct mutex {
        /* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */
        atomic_t                  count;
        spinlock_t                wait_lock;
        struct list_head          wait_list;
#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
        struct thread_info        *owner;
        const char                *name;
        void                      *magic;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
        struct lockdep_map         dep_map;
#endif
};

對比前面的struct semaphore，struct mutex除了增加了幾個作爲debug用途的成員變量外，和semaphore幾乎長得一樣。但是mutex的引入主要是爲了提供互斥機制，以避免多個進程同時在一個臨界區中運行。

如果靜態聲明一個count=1的semaphore變量，可以使用DECLARE_MUTEX(name)，DECLARE_MUTEX(name)實際上是定義一個semaphore，所以它的使用應該對應信號量的P,V函數.

如果要定義一個靜態mutex型變量，應該使用DEFINE_MUTEX

如果在程序運行期要初始化一個mutex變量，可以使用mutex_init（mutex），mutex_init是個宏，在該宏定義的內部，會調用__mutex_init函數。

#define mutex_init(mutex)                                                   \
do {                                                                        \
        static struct lock_class_key __key;                                 \
                                                                            \ 
        __mutex_init((mutex), #mutex, &__key);                              \
} while (0)

__mutex_init定義如下：

/***
* mutex_init - initialize the mutex
* @lock: the mutex to be initialized
*
* Initialize the mutex to unlocked state.
*
* It is not allowed to initialize an already locked mutex.
*/
void
__mutex_init(struct mutex *lock, const char *name, struct lock_class_key *key)
{
        atomic_set(&lock->count, 1);
        spin_lock_init(&lock->wait_lock);
        INIT_LIST_HEAD(&lock->wait_list);

        debug_mutex_init(lock, name, key);
}

從__mutex_init的定義可以看出，在使用mutex_init宏來初始化一個mutex變量時，應該使用mutex的指針型。

 

 

 

mutex上的P,V操作：void mutex_lock(struct mutex *lock)和void __sched mutex_unlock(struct mutex *lock)

      從原理上講，mutex實際上是count=1情況下的semaphore，所以其PV操作應該和semaphore是一樣的。但是在實際的Linux代碼上，出於性能優化的角度，並非只是單純的重用down_interruptible和up的代碼。以ARM平臺的mutex_lock爲例，實際上是將mutex_lock分成兩部分實現：fast 
path和slow path，主要是基於這樣一個事實：在絕大多數情況下，試圖獲得互斥體的代碼總是可以成功獲得。所以Linux的代碼針對這一事實用ARM 
V6上的LDREX和STREX指令來實現fast path以期獲得最佳的執行性能。這裏對於mutex的實現細節，不再多說，如欲深入瞭解，參考APUE和ULD

 

三、自旋鎖

      自旋鎖它是爲爲實現保護共享資源而提出一種鎖機制。其實，自旋鎖與互斥鎖比較類似，它們都是爲了解決對某項資源的互斥使用。無論是互斥鎖，還是自旋鎖，在任何時刻，最多隻能有一個保持者，也就說，在任何時刻最多隻能有一個執行單元獲得鎖。但是兩者在調度機制上略有不同。對於互斥鎖，如果資源已經被佔用，資源申請者只能進入睡眠狀態。但是自旋鎖不會引起調用者睡眠，如果自旋鎖已經被別的執行單元保持，調用者就一直循環在那裏看是否該自旋鎖的保持者已經釋放了鎖，"自旋"一詞就是因此而得名。

 

 

自旋鎖一般原理

跟互斥鎖一樣，一個執行單元要想訪問被自旋鎖保護的共享資源，必須先得到鎖，在訪問完共享資源後，必須釋放鎖。如果在獲取自旋鎖時，沒有任何執行單元保持該鎖，那麼將立即得到鎖；如果在獲取自旋鎖時鎖已經有保持者，那麼獲取鎖操作將自旋在那裏，直到該自旋鎖的保持者釋放了鎖。由此我們可以看出，自旋鎖是一種比較低級的保護數據結構或代碼片段的原始方式，這種鎖可能存在兩個問題：死鎖和過多佔用cpu資源。

 

 

自旋鎖適用情況

自旋鎖比較適用於鎖使用者保持鎖時間比較短的情況。正是由於自旋鎖使用者一般保持鎖時間非常短，因此選擇自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋鎖的效率遠高於互斥鎖。信號量和讀寫信號量適合於保持時間較長的情況，它們會導致調用者睡眠，因此只能在進程上下文使用，而自旋鎖適合於保持時間非常短的情況，它可以在任何上下文使用。如果被保護的共享資源只在進程上下文訪問，使用信號量保護該共享資源非常合適，如果對共享資源的訪問時間非常短，自旋鎖也可以。但是如果被保護的共享資源需要在中斷上下文訪問（包括底半部即中斷處理句柄和頂半部即軟中斷），就必須使用自旋鎖。自旋鎖保持期間是搶佔失效的，而信號量和讀寫信號量保持期間是可以被搶佔的。自旋鎖只有在內核可搶佔或SMP（多處理器）的情況下才真正需要，在單CPU且不可搶佔的內核下，自旋鎖的所有操作都是空操作。另外格外注意一點：自旋鎖不能遞歸使用。

 

 

 

關於自旋鎖的定義以及相應的API

自旋鎖定義:  linux/Spinlock.h

typedef struct spinlock {
          union { //聯合
             struct raw_spinlock rlock;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
# define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))
             struct{
                     u8 __padding[LOCK_PADSIZE];
                     struct lockdep_map dep_map;
             };
#endif
         };
} spinlock_t;

 

 定義和初始化

spinlock_t my_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED; 
void spin_lock_init(spinlock_t *lock); 

 

自旋鎖操作：

//加鎖一個自旋鎖函數
void spin_lock(spinlock_t *lock);                                   //獲取指定的自旋鎖
void spin_lock_irq(spinlock_t *lock);                               //禁止本地中斷獲取指定的鎖
void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags);      //保存本地中斷的狀態,禁止本地中斷,並獲取指定的鎖
void spin_lock_bh(spinlock_t *lock)                                 //安全地避免死鎖, 而仍然允許硬件中斷被服務


//釋放一個自旋鎖函數
void spin_unlock(spinlock_t *lock);                                 //釋放指定的鎖
void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock);                             //釋放指定的鎖,並激活本地中斷
void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags); //釋放指定的鎖,並讓本地中斷恢復到以前的狀態
void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock);                              //對應於spin_lock_bh


//非阻塞鎖
int spin_trylock(spinlock_t *lock);                  //試圖獲得某個特定的自旋鎖,如果該鎖已經被爭用,該方法會立刻返回一個非0值,
                                                     //而不會自旋等待鎖被釋放,如果成果獲得了這個鎖,那麼就返回0.
int spin_trylock_bh(spinlock_t *lock);                           
//這些函數成功時返回非零( 獲得了鎖 ), 否則 0. 沒有"try"版本來禁止中斷.

//其他
int spin_is_locked(spinlock_t *lock);               //和try_lock()差不多

 

 

四、信號量、互斥體和自旋鎖的區別

 

信號量/互斥體和自旋鎖的區別

信號量/互斥體允許進程睡眠屬於睡眠鎖，自旋鎖則不允許調用者睡眠，而是讓其循環等待，所以有以下區別應用 
    1）、信號量和讀寫信號量適合於保持時間較長的情況，它們會導致調用者睡眠，因而自旋鎖適合於保持時間非常短的情況
    2）、自旋鎖可以用於中斷，不能用於進程上下文(會引起死鎖)。而信號量不允許使用在中斷中，而可以用於進程上下文
    3）、自旋鎖保持期間是搶佔失效的，自旋鎖被持有時，內核不能被搶佔，而信號量和讀寫信號量保持期間是可以被搶佔的
   
另外需要注意的是
     1）、信號量鎖保護的臨界區可包含可能引起阻塞的代碼，而自旋鎖則絕對要避免用來保護包含這樣代碼的臨界區，因爲阻塞意味着要進行進程的切換，如果進程被切換出去後，另一進程企圖獲取本自旋鎖，死鎖就會發生。
     2）、在你佔用信號量的同時不能佔用自旋鎖，因爲在你等待信號量時可能會睡眠，而在持有自旋鎖時是不允許睡眠的。

 

 信號量和互斥體之間的區別

 

概念上的區別：     

      信號量：是進程間（線程間）同步用的，一個進程（線程）完成了某一個動作就通過信號量告訴別的進程（線程），別的進程（線程）再進行某些動作。有二值和多值信號量之分。

     互斥鎖：是線程間互斥用的，一個線程佔用了某一個共享資源，那麼別的線程就無法訪問，直到這個線程離開，其他的線程纔開始可以使用這個共享資源。可以把互斥鎖看成二值信號量。  

 

上鎖時：

     信號量: 只要信號量的value大於0，其他線程就可以sem_wait成功，成功後信號量的value減一。若value值不大於0，則sem_wait阻塞，直到sem_post釋放後value值加一。一句話，信號量的value>=0。

     互斥鎖: 只要被鎖住，其他任何線程都不可以訪問被保護的資源。如果沒有鎖，獲得資源成功，否則進行阻塞等待資源可用。一句話，線程互斥鎖的vlaue可以爲負數。  

 

使用場所：

     信號量主要適用於進程間通信，當然，也可用於線程間通信。而互斥鎖只能用於線程間通信。

轉自：http://www.cnblogs.com/biyeymyhjob/archive/2012/07/21/2602015.html#3173263