嵌入式 最全面的linux信号量解析
2019-07-12 16:27发布
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信号量
一．什么是信号量
信号量的使用主要是用来保护共享资源，使得资源在一个时刻只有一个进程（线程）
所拥有。
信号量的值为正的时候，说明它空闲。所测试的线程可以锁定而使用它。若为0，说明
它被占用，测试的线程要进入睡眠队列中，等待被唤醒。
二．信号量的分类
在学习信号量之前，我们必须先知道——Linux提供两种信号量：
（1） 内核信号量，由内核控制路径使用
（2） 用户态进程使用的信号量，这种信号量又分为POSIX信号量和SYSTEM
V信号量。
POSIX信号量又分为有名信号量和无名信号量。
有名信号量，其值保存在文件中, 所以它可以用于线程也可以用于进程间的同步。无名
信号量，其值保存在内存中。
倘若对信号量没有以上的全面认识的话，你就会很快发现自己在信号量的森林里迷
失了方向。
三．内核信号量
1．内核信号量的构成
内核信号量类似于自旋锁，因为当锁关闭着时，它不允许内核控制路径继续进行。然而，
当内核控制路径试图获取内核信号量锁保护的忙资源时，相应的进程就被挂起。只有在资源
被释放时，进程才再次变为可运行。
只有可以睡眠的函数才能获取内核信号量；中断处理程序和可延迟函数都不能使用内
核信号量。
内核信号量是struct semaphore类型的对象，它在中定义：
struct semaphore {
atomic_t count;
int sleepers;
wait_queue_head_t wait;
}
count：相当于信号量的值，大于0，资源空闲；等于0，资源忙，但没有进程等待这
个保护的资源；小于0，资源不可用，并至少有一个进程等待资源。
wait：存放等待队列链表的地址，当前等待资源的所有睡眠进程都会放在这个链表中。
sleepers：存放一个标志，表示是否有一些进程在信号量上睡眠。
2．内核信号量中的等待队列（删除，没有联系）
上面已经提到了内核信号量使用了等待队列wait_queue来实现阻塞操作。
当某任务由于没有某种条件没有得到满足时，它就被挂到等待队列中睡眠。当条件得到满足
时，该任务就被移出等待队列，此时并不意味着该任务就被马上执行，因为它又被移进工
作队列中等待CPU资源，在适当的时机被调度。
内核信号量是在内部使用等待队列的，也就是说该等待队列对用户是隐藏的，无须用
户干涉。由用户真正使用的等待队列我们将在另外的篇章进行详解。
3．内核信号量的相关函数
（1）初始化：
void sema_init (struct semaphore *sem, int val);
void init_MUTEX (struct semaphore *sem); //将sem的值置为1，表示资源空闲
void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem); //将sem的值置为0，表示资源忙
（2）申请内核信号量所保护的资源：
void down(struct semaphore * sem); // 可引起睡眠
int down_interruptible(struct semaphore * sem); // down_interruptible能被信号打断
int down_trylock(struct semaphore * sem); // 非阻塞函数，不会睡眠。无法锁定资源则
马上返回
（3）释放内核信号量所保护的资源：
void up(struct semaphore * sem);
4．内核信号量的使用例程
在驱动程序中，当多个线程同时访问相同的资源时（驱动中的全局变量时一种典型的
共享资源），可能会引发“竞态“，因此我们必须对共享资源进行并发控制。Linux内核中
解决并发控制的最常用方法是自旋锁与信号量（绝大多数时候作为互斥锁使用）。
ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
//获得信号量
if (down_interruptible(&sem))
{
return - ERESTARTSYS;
}
//将用户空间的数据复制到内核空间的global_var
if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))
{
up(&sem);
return - EFAULT;
}
//释放信号量
up(&sem);
return sizeof(int);
}
四．POSIX 信号量与SYSTEM V信号量的比较
1. 对POSIX来说，信号量是个非负整数。常用于线程间同步。
而SYSTEM V信号量则是一个或多个信号量的集合，它对应的是一个信号量结构体，
这个结构体是为SYSTEM V IPC服务的，信号量只不过是它的一部分。常用于进程间同步。
2．POSIX信号量的引用头文件是“”，而SYSTEM V信号量的引用头文件是
“”。
3．从使用的角度，System V信号量是复杂的，而Posix信号量是简单。比如，POSIX信
号量的创建和初始化或PV操作就很非常方便。
五．POSIX信号量详解
1．无名信号量
无名信号量的创建就像声明一般的变量一样简单，例如：sem_t sem_id。然后再初
始化该无名信号量，之后就可以放心使用了。
无名信号量常用于多线程间的同步，同时也用于相关进程间的同步。也就是说，无名信
号量必须是多个进程（线程）的共享变量，无名信号量要保护的变量也必须是多个进程
（线程）的共享变量，这两个条件是缺一不可的。
常见的无名信号量相关函数：sem_destroy
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
1)pshared==0 用于同一多线程的同步；
2)若pshared>0 用于多个相关进程间的同步（即由fork产生的）
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
取回信号量sem的当前值，把该值保存到sval中。
若有1个或更多的线程或进程调用sem_wait阻塞在该信号量上，该函数返回两种值：
1) 返回0
2) 返回阻塞在该信号量上的进程或线程数目
linux采用返回的第一种策略。
sem_wait(或sem_trywait)相当于P操作，即申请资源。
int sem_wait(sem_t *sem); // 这是一个阻塞的函数
测试所指定信号量的值,它的操作是原子的。
若sem>0，那么它减1并立即返回。
若sem==0，则睡眠直到sem>0，此时立即减1，然后返回。
int sem_trywait(sem_t *sem); // 非阻塞的函数
其他的行为和sem_wait一样，除了：
若sem==0，不是睡眠，而是返回一个错误EAGAIN。
sem_post相当于V操作，释放资源。
int sem_post(sem_t *sem);
把指定的信号量sem的值加1;
呼醒正在等待该信号量的任意线程。
注意：在这些函数中，只有sem_post是信号安全的函数，它是可重入函数
（a）无名信号量在多线程间的同步
无名信号量的常见用法是将要保护的变量放在sem_wait和sem_post中间所形成的
临界区内，这样该变量就会被保护起来，例如：
#include
#include
#include
#include
#include
int number; // 被保护的全局变量
sem_t sem_id;
void* thread_one_fun(void *arg)
{
sem_wait(&sem_id);
printf("thread_one have the semaphore
");
number++;
printf("number = %d
",number);
sem_post(&sem_id);
}
void* thread_two_fun(void *arg)
{
sem_wait(&sem_id);
printf("thread_two have the semaphore
");
number--;
printf("number = %d
",number);
sem_post(&sem_id);
}
int main(int argc,char *argv[])
{
number = 1;
pthread_t id1, id2;
sem_init(&sem_id, 0, 1);
pthread_create(&id1,NULL,thread_one_fun, NULL);
pthread_create(&id2,NULL,thread_two_fun, NULL);
pthread_join(id1,NULL);
pthread_join(id2,NULL);
printf("main,,,
");
return 0;
}
上面的例程，到底哪个线程先申请到信号量资源，这是随机的。如果想要某个特定的顺
序的话，可以用2个信号量来实现。例如下面的例程是线程1先执行完，然后线程2才继
续执行，直至结束。
int number; // 被保护的全局变量
sem_t sem_id1, sem_id2;
void* thread_one_fun(void *arg)
{
sem_wait(&sem_id1);
printf("thread_one have the semaphore
");
number++;
printf("number = %d
",number);
sem_post(&sem_id2);
}
void* thread_two_fun(void *arg)
{
sem_wait(&sem_id2);
printf("thread_two have the semaphore
");
number--;
printf("number = %d
",number);
sem_post(&sem_id1);
}
int main(int argc,char *argv[])
{
number = 1;
pthread_t id1, id2;
sem_init(&sem_id1, 0, 1); // 空闲的
sem_init(&sem_id2, 0, 0); // 忙的
pthread_create(&id1,NULL,thread_one_fun, NULL);
pthread_create(&id2,NULL,thread_two_fun, NULL);
pthread_join(id1,NULL);
pthread_join(id2,NULL);
printf("main,,,
");
return 0;
}
（b）无名信号量在相关进程间的同步
说是相关进程，是因为本程序中共有2个进程，其中一个是另外一个的子进程（由
fork
产生）的。
本来对于fork来说，子进程只继承了父进程的代码副本，mutex理应在父子进程
中是相互独立的两个变量，但由于在初始化mutex的时候，由pshared = 1指
定了mutex处于共享内存区域，所以此时mutex变成了父子进程共享的一个变
量。此时，mutex就可以用来同步相关进程了。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(int argc, char **argv)
{
int fd, i,count=0,nloop=10,zero=0,*ptr;
sem_t mutex;
//open a file and map it into memory
fd = open("log.txt",O_RDWR|O_CREAT,S_IRWXU);
write(fd,&zero,sizeof(int));
ptr = mmap( NULL,sizeof(int),PROT_READ |
PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0 );
close(fd);
/* create, initialize semaphore */
if( sem_init(&mutex,1,1) < 0) //
{
perror("semaphore initilization");
exit(0);
}
if (fork() == 0)
{ /* child process*/
for (i = 0; i < nloop; i++)
{
sem_wait(&mutex);
printf("child: %d
", (*ptr)++);
sem_post(&mutex);
}
exit(0);
}
/* back to parent process */
for (i = 0; i < nloop; i++)
{
sem_wait(&mutex);
printf("parent: %d
", (*ptr)++);
sem_post(&mutex);
}
exit(0);
}
2．有名信号量
有名信号量的特点是把信号量的值保存在文件中。
这决定了它的用途非常广：既可以用于线程，也可以用于相关进程间，甚至是不相关
进程。
（a）有名信号量能在进程间共享的原因
由于有名信号量的值是保存在文件中的，所以对于相关进程来说，子进程是继承了父
进程的文件描述符，那么子进程所继承的文件描述符所指向的文件是和父进程一样的，当
然文件里面保存的有名信号量值就共享了。
（b）有名信号量相关函数说明
有名信号量在使用的时候，和无名信号量共享sem_wait和sem_post函数。
区别是有名信号量使用sem_open代替sem_init，另外在结束的时候要像关闭文件
一样去关闭这个有名信号量。
(1)打开一个已存在的有名信号量，或创建并初始化一个有名信号量。一个单一的调用就完
成了信号量的创建、初始化和权限的设置。
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode , int value);
name是文件的路径名；
Oflag 有O_CREAT或O_CREAT|EXCL两个取值；
mode_t控制新的信号量的访问权限；
Value指定信号量的初始化值。
注意：
这里的name不能写成/tmp/aaa.sem这样的格式，因为在linux下，sem都是创建
在/dev/shm目录下。你可以将name写成“/mysem”或“mysem”，创建出来的文件都
是“/dev/shm/sem.mysem”，千万不要写路径。也千万不要写“/tmp/mysem”之类的。
当oflag = O_CREAT时，若name指定的信号量不存在时，则会创建一个，而且后
面的mode和value参数必须有效。若name指定的信号量已存在，则直接打开该信号量，
同时忽略mode和value参数。
当oflag = O_CREAT|O_EXCL时，若name指定的信号量已存在，该函数会直接返
回error。
(2) 一旦你使用了一信号量，销毁它们就变得很重要。
在做这个之前，要确定所有对这个有名信号量的引用都已经通过sem_close（）函数
关闭了，然后只需在退出或是退出处理函数中调用sem_unlink()去删除系统中的信号量，
注意如果有任何的处理器或是线程引用这个信号量，sem_unlink()函数不会起到任何的作
用。
也就是说，必须是最后一个使用该信号量的进程来执行sem_unlick才有效。因为每个
信号灯有一个引用计数器记录当前的打开次数，sem_unlink必须等待这个数为0时才能把
name所指的信号灯从文件系统中删除。也就是要等待最后一个sem_close发生。
（c）有名信号量在无相关进程间的同步
前面已经说过，有名信号量是位于共享内存区的，那么它要保护的资源也必须是位于
共享内存区，只有这样才能被无相关的进程所共享。
在下面这个例子中，服务进程和客户进程都使用shmget和shmat来获取得一块共享内
存资源。然后利用有名信号量来对这块共享内存资源进行互斥保护。
File1: server.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SHMSZ 27
char SEM_NAME[]= "vik";
int main()
{
char ch;
int shmid;
key_t key;
char *shm,*s;
sem_t *mutex;
//name the shared memory segment
key = 1000;
//create & initialize semaphore
mutex = sem_open(SEM_NAME,O_CREAT,0644,1);
if(mutex == SEM_FAILED)
{
perror("unable to create semaphore");
sem_unlink(SEM_NAME);
exit(-1);
}
//create the shared memory segment with this key
shmid = shmget(key,SHMSZ,IPC_CREAT|0666);
if(shmid<0)
{
perror("failure in shmget");
exit(-1);
}
//attach this segment to virtual memory
shm = shmat(shmid,NULL,0);
//start writing into memory
s = shm;
for(ch='A';ch<='Z';ch++)
{
sem_wait(mutex);
*s++ = ch;
sem_post(mutex);
}
//the below loop could be replaced by binary semaphore
while(*shm != '*')
{
sleep(1);
}
sem_close(mutex);
sem_unlink(SEM_NAME);
shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);
exit(0);
}
File 2: client.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SHMSZ 27
char SEM_NAME[]= "vik";
int main()
{
char ch;
int shmid;
key_t key;
char *shm,*s;
sem_t *mutex;
//name the shared memory segment
key = 1000;
//create & initialize existing semaphore
mutex = sem_open(SEM_NAME,0,0644,0);
if(mutex == SEM_FAILED)
{
perror("reader:unable to execute semaphore");
sem_close(mutex);
exit(-1);
}
//create the shared memory segment with this key
shmid = shmget(key,SHMSZ,0666);
if(shmid<0)
{
perror("reader:failure in shmget");
exit(-1);
}
//attach this segment to virtual memory
shm = shmat(shmid,NULL,0);
//start reading
s = shm;
for(s=shm;*s!=NULL;s++)
{
sem_wait(mutex);
putchar(*s);
sem_post(mutex);
}
//once done signal exiting of reader:This can be replaced by
another semaphore
*shm = '*';
sem_close(mutex);
shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);
exit(0);
}
六．SYSTEM V信号量
这是信号量值的集合，而不是单个信号量。相关的信号量操作函数由引用。
1．信号量结构体
内核为每个信号量集维护一个信号量结构体，可在找到该定义：
struct semid_ds {
struct ipc_perm sem_perm; /* 信号量集的操作许可权限 */
struct sem *sem_base; /* 某个信号量sem结构数组的指针，当前信号量集
中的每个信号量对应其中一个数组元素 */
ushort sem_nsems; /* sem_base 数组的个数 */
time_t sem_otime; /* 最后一次成功修改信号量数组的时间 */
time_t sem_ctime; /* 成功创建时间 */
};
struct sem {
ushort semval; /* 信号量的当前值 */
short sempid; /* 最后一次返回该信号量的进程ID 号 */
ushort semncnt; /* 等待semval大于当前值的进程个数 */
ushort semzcnt; /* 等待semval变成0的进程个数 */
};
2．常见的SYSTEM V信号量函数
（a）关键字和描述符
SYSTEM V信号量是SYSTEM V IPC（即SYSTEM V进程间通信）的组成部分，其他
的有SYSTEM V消息队列，SYSTEM V共享内存。而关键字和IPC描述符无疑是它们的共
同点，也使用它们，就不得不先对它们进行熟悉。这里只对SYSTEM V信号量进行讨论。
IPC描述符相当于引用ID号，要想使用SYSTEM V信号量（或MSG、SHM），就必须
用IPC描述符来调用信号量。而IPC描述符是内核动态提供的（通过semget来获取），用
户无法让服务器和客户事先认可共同使用哪个描述符，所以有时候就需要到关键字KEY来
定位描述符。
某个KEY只会固定对应一个描述符（这项转换工作由内核完成），这样假如服务器和
客户事先认可共同使用某个KEY，那么大家就都能定位到同一个描述符，也就能定位到同
一个信号量，这样就达到了SYSTEM V信号量在进程间共享的目的。
（b）创建和打开信号量
int semget(key_t key, int nsems, int oflag)
(1) nsems>0 : 创建一个信的信号量集，指定集合中信号量的数量，一旦创建就不能更改。
(2) nsems==0 : 访问一个已存在的集合
(3) 返回的是一个称为信号量标识符的整数，semop和semctl函数将使用它。
(4) 创建成功后信号量结构被设置：
.sem_perm 的uid和gid成员被设置成的调用进程的有效用户ID和有效组ID
.oflag 参数中的读写权限位存入sem_perm.mode
.sem_otime 被置为0,sem_ctime被设置为当前时间
.sem_nsems 被置为nsems参数的值
该集合中的每个信号量不初始化，这些结构是在semctl，用参数SET_VAL，SETALL
初始化的。
semget函数执行成功后，就产生了一个由内核维持的类型为semid_ds结构体的信号量
集，返回semid就是指向该信号量集的引索。
（c）关键字的获取
有多种方法使客户机和服务器在同一IPC结构上会合：
(1) 服务器可以指定关键字IPC_PRIVATE创建一个新IPC结构，将返回的标识符存放在某
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