LV040-信号量
一、信号量简介
1. 什么是信号量
1.1 一个例子
举个例子，某个停车场有 100 个停车位，这 100 个停车位大家都可以用，对于大家来说这 100 个停车位就是共享资源。假设现在这个停车场正常运行，我们要把车停到这个这个停车场肯定要先看一下现在停了多少车了？还有没有停车位？当前停车数量就是一个信号量，具体的停车数量就是这个信号量值，当这个值到 100 的时候说明停车场满了。停车场满的时我们可以等一会看看有没有其他的车开出停车场，当有车开出停车场的时候停车数量就会减一，也就是说信号量减一，此时我们就可以把车停进去了，我们把车停进去以后停车数量就会加一，也就是信号量加一。这就是一个典型的使用信号量进行共享资源管理的案例，在这个案例中使用的就是计数型信号量。
1.2 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，不能用于互斥访问。
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， 可以用于互斥访问。
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 。
2. 信号量的特点
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，这个房子只有一个卫生间，一次只能一个人使用。某一天早上 A 去上卫生间了，过了一会 B 也想用卫生间，因为 A 在卫生间里面，所以 B 只能等到 A 用来了才能进去。 B 要么就一直在卫生间门口等着，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。
二、相关数据结构与 API
1. struct semaphore
Linux 内核使用 struct semaphore 结构体表示信号量：
/* Please don't access any members of this structure directly */
struct semaphore {
raw_spinlock_t lock;
unsigned int count;
struct list_head wait_list;
};2. 相关 API
信号量相关的 API 函数声明可以在 semaphore.h - include/linux/semaphore.h 中找到：
| 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 |
3. 使用示例
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、信号量 demo
1. demo 源码
2. 开发板验证
我们将编译得到的 sdriver_demo.ko、app_demo.out 拷贝到开发板。
- （1）加载驱动
insmod sdriver_demo.ko- （2）app_demo.out 会创建子进程运行
./app_demo.out /dev/sdevchr 2
可以看到是一个执行完再执行另一个。没有信号量保护的时候是这样的：
参考资料：