【系列文章】Linux中的并發與競爭[04]-信號量

該文章為系列文章：Linux中的并發與競爭中的第4篇
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在上面兩篇文章對自旋鎖和自旋鎖死鎖進行了學習，自旋鎖會讓請求的任務原地“自旋”，在等待的過程中會循環檢測自旋鎖的狀態，進而占用系統資源，而本章節要講解的信號量也是解決競爭的一種常用方法，與自旋鎖不同的是，信號量會使等待的線程進入休眠狀態，適用于那些占用資源比較久的場合。下面對信號量相關知識的進行講解。

一、信號量

信號量是操作系統中最典型的用于同步和互斥的手段，本質上是一個全局變量，信號量的值表示控制訪問資源的線程數，可以根據實際情況來自行設置，如果在初始化的時候將信號量量值設置為大于 1，那么這個信號量就是計數型信號量，允許多個線程同時訪問共享資源。如果將信號量量值設置為 1，那么這個信號量就是二值信號量，同一時間內只允許一個線程訪問共享資源，注意！信號量的值不能小于 0。當信號量的值為 0 時，想訪問共享資源的線程必須等待，直到信號量大于 0 時，等待的線程才可以訪問。當訪問共享資源時，信號量執行“減一”操作，訪問完成后再執行“加一”操作。

相比于自旋鎖，信號量具有休眠特性，因此適用長時間占用資源的場合，但由于信號量會引起休眠，所以不能用在中斷函數中，最后如果共享資源的持有時間比較短，使用信號量的話會造成頻繁的休眠，反而帶來更多資源的消耗，使用自旋鎖反而效果更好。再同時使用信號量和自旋鎖的時候，要先獲取信號量，再使用自旋鎖，因為信號量會導致睡眠。

以現實生活中的銀行辦理業務為例，銀行的業務辦理窗口就是共享資源，業務辦理窗口的數量就是信號量量值，進入銀行之后，客戶需要領取相應的排序碼，然后在休息區進行等待，可以看作線程的睡眠階段，當前面的客戶辦理完業務之后，相應的窗口會空閑出來，可以看作信號量的釋放，之后銀行會通過廣播，提醒下一位客戶到指定的窗口進行業務的辦理，可以看作線程的喚醒并獲取到信號量，訪問共享資源的過程。

Linux 內核使用 semaphore 結構體來表示信號量，該結構體定義在“內核源碼/include/linux/semaphore.h”文件內，結構體內容如下所示：

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

與信號量相關的 API 函數同樣定義在 semaphore.h 文件內，部分常用 API 函數如下：

函數	描述
DEFINE_SEAMPHORE(name)	定義信號量，并且設置信號量的值為1。
void sema_init(struct semaphore *sem, int val)	初始化信號量 sem，設置信號量值為 val。
void down(struct semaphore *sem)	獲取信號量，不能被中斷打斷，如ctrl+c
int down_interruptible(struct semaphore *sem)	獲取信號量，可以被中斷打斷，如ctrl+c
void up(struct semaphore *sem)	釋放信號量
int down_trylock(struct semaphore *sem);	嘗試獲取信號量，如果能獲取到信號量就獲取，并且返回0。 如果不能就返回非0

二、實驗程序的編寫

2.1驅動程序編寫

與之前章節設置標志位，在同一時間內只允許一個任務對共享資源進行訪問的方式所不同，本小節將采用信號量的方式避免競爭的產生。本實驗設置的信號量量值為 1，所以需要在open()函數中加入信號量獲取函數，在 release()函數中加入信號量釋放函數即可。

編寫完成的 semaphore.c 代碼如下所示

#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;//定義一個 semaphore 類型的結構體變量 semaphore_teststatic int open_test(struct inode *inode,struct file *file)
{printk("\nthis is open_test \n");down(&semaphore_test);//信號量數量減 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";//定義 char 類型字符串變量 kbufprintk("\nthis is read_test \n");ret = copy_to_user(ubuf,kbuf,strlen(kbuf));//使用 copy_to_user 接收用戶空間傳遞的數據if (ret != 0){printk("copy_to_user is error \n");}printk("copy_to_user is ok \n");return 0;
}static char kbuf[10] = {0};//定義 char 類型字符串全局變量 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 接收用戶空間傳遞的數據if (ret != 0){printk("copy_from_user is error\n");}if(strcmp(kbuf,"topeet") == 0 ){//如果傳遞的 kbuf 是 topeet 就睡眠四秒鐘ssleep(4);}else if(strcmp(kbuf,"itop") == 0){//如果傳遞的 kbuf 是 itop 就睡眠兩秒鐘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);//信號量數量加 1printk("\nthis is release_test \n");return 0;
}struct chrdev_test {dev_t dev_num;//定義 dev_t 類型變量 dev_num 來表示設備號int major,minor;//定義 int 類型的主設備號 major 和次設備號 minorstruct cdev cdev_test;//定義 struct cdev 類型結構體變量 cdev_test，表示要注冊的字符設備struct class *class_test;//定于 struct class *類型結構體變量 class_test，表示要創建的類
};
struct chrdev_test dev1;//創建 chrdev_test 類型的struct file_operations fops_test = {.owner = THIS_MODULE,//將 owner 字段指向本模塊，可以避免在模塊的操作正在被使用時卸載該模塊.open = open_test,//將 open 字段指向 open_test(...)函數.read = read_test,//將 read 字段指向 read_test(...)函數.write = write_test,//將 write 字段指向 write_test(...)函數.release = release_test,//將 release 字段指向 release_test(...)函數
};static int __init atomic_init(void)
{sema_init(&semaphore_test,1);//初始化信號量結構體 semaphore_test，并設置信號量的數量為 1if(alloc_chrdev_region(&dev1.dev_num,0,1,"chrdev_name") < 0 ){//自動獲取設備號，設備名chrdev_nameprintk("alloc_chrdev_region is error \n");}printk("alloc_chrdev_region is ok \n");dev1.major = MAJOR(dev1.dev_num);//使用 MAJOR()函數獲取主設備號dev1.minor = MINOR(dev1.dev_num);//使用 MINOR()函數獲取次設備號printk("major is %d,minor is %d\n",dev1.major,dev1.minor);//使用 cdev_init()函數初始化 cdev_test 結構體，并鏈接到fops_test 結構體cdev_init(&dev1.cdev_test,&fops_test);//將 owner 字段指向本模塊，可以避免在模塊的操作正在被使用時卸載該模塊dev1.cdev_test.owner = THIS_MODULE;cdev_add(&dev1.cdev_test,dev1.dev_num,1);//使用 cdev_add()函數進行字符設備的添加//使用 class_create 進行類的創建，類名稱為class_testdev1.class_test = class_create(THIS_MODULE,"class_test");//使用 device_create 進行設備的創建，設備名稱為 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);//刪除創建的設備class_destroy(dev1.class_test);//刪除創建的類cdev_del(&dev1.cdev_test);//刪除添加的字符設備 cdev_testunregister_chrdev_region(dev1.dev_num,1);//釋放字符設備所申請的設備號printk("module exit \n");
}module_init(atomic_init);
module_exit(atomic_exit)
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_AUTHOR("topeet");

2.2編寫測試 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;//定義 int 類型的文件描述符char str1[10] = {0};//定義讀取緩沖區 str1fd = open(argv[1],O_RDWR);//調用 open 函數，打開輸入的第一個參數文件，權限為可讀可寫if(fd < 0 ){printf("file open failed \n");return -1;}/*如果第二個參數為 topeet，條件成立，調用 write 函數，寫入 topeet*/if (strcmp(argv[2],"topeet") == 0 ){write(fd,"topeet",10);}/*如果第二個參數為 itop，條件成立，調用 write 函數，寫入 itop*/else if (strcmp(argv[2],"itop") == 0 ){write(fd,"itop",10);}close(fd);return 0;
}

2.3運行測試

使用以下命令運行測試 app

./app /dev/device_test topeet

可以看到傳遞的 buf 值為 topeet，然后輸入以下命令在后臺運行兩個 app，來進行競爭測試，運行結果如下圖所示：

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

上述打印信息正常，證明數據被正確傳遞了，沒有發生共享資源的競爭，第一個任務運行之后，由于設置的信號量量值為 1，所以第二個任務會進入休眠狀態，第一個任務執行完畢之后，會喚醒第二個任務去執行，所以避免了并發與競爭。