信号量、互斥锁、自旋锁
信号量、互斥锁、自旋锁
- 前言
- 一、信号量
- 1、信号量初始化api
- 2、获取信号量
- 3、释放信号量
- 4、使用案例
- 二、互斥锁
- 互斥锁的API
- 三、自旋锁
- 1、初始化
- 2、获得自旋锁
- 3、释放自旋锁
- 4、判断自旋锁
- 5、自旋锁使用注意事项
前言
信号量：是一种锁机制用于协调进程之间互斥的访问临界资源。以确保某种共享资源不被多个进程同时访问。
互斥锁（Mutex）：是初始值为1的信号量
自旋锁：与互斥锁类似，但在无法得到资源时，互斥锁内核线程处于睡眠阻塞状态，而自旋锁处于忙等待状态。
一、信号量
Linux内核的信号量在概念和原理上与用户态的System V的IPC机制信号量（如semget，semop）是一样的，但是它绝不可能在内核之外使用，因此它与System V的IPC机制信号量毫不相干。
信号量的初始值：表示同时可以有几个任务可以访问该信号量保护的共享资源
一个任务要想访问共享资源，首先必须得到信号量，获取信号量的操作将把信号量的值减1。
…若当前信号量的值为负数，表明无法获得信号量，该任务必须挂起在该信号量的等待队列，等待该信号量可用；
…若当前信号量的值为非负数，表示可以获得信号量，因而可以立刻访问被该信号量保护的共享资源。
当任务访问完被信号量保护的共享资源后，必须释放信号量，释放信号量通过把信号量的值加1实现，
如果信号量的值为非正数，表明有任务等待当前信号量，因此它也唤醒所有等待该信号量的任务的其中一个。
1、信号量初始化api
静态定义：
DECLARE_MUTEX(name)
该宏声明一个信号量name并初始化它的值为1，即声明一个互斥锁。
DECLARE_MUTEX_LOCKED(name)
该宏声明一个互斥锁name，但把它的初始值设置为0，即锁在创建时就处在已锁状态。因此对于这种锁，一般是先释放后获得。 动态定义：
void sema_init (struct semaphore *sem, int val);
该函用于数初始化设置信号量的初值，它设置信号量sem的值为val。
void init_MUTEX (struct semaphore *sem);
该函数用于初始化一个互斥锁，即它把信号量sem的值设置为1。
void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem);
该函数也用于初始化一个互斥锁，但它把信号量sem的值设置为0，即一开始就处在已锁状态。
2、获取信号量
void down(struct semaphore * sem);
该函数用于获得信号量sem，它会导致睡眠，因此不能在中断上下文（包括IRQ上下文和softirq上下文）使用该函数。该函数将把sem的值减1，如果信号量sem的值非负，就直接返回，否则调用者将被挂起，直到别的任务释放该信号量才能继续运行。
int down_interruptible(struct semaphore * sem);
该函数功能与down类似，不同之处为，down不会被信号（signal）打断，但down_interruptible能被信号打断。因此该函数有返回值来区分是正常返回还是被信号中断，如果返回0，表示获得信号量正常返回，如果被信号打断，返回-EINTR。
int down_trylock(struct semaphore * sem);
该函数试着获得信号量sem，如果能够立刻获得，它就获得该信号量并返回0。否则，表示不能获得信号量sem，返回值为非0值。因此，它不会导致调用者睡眠，可以在中断上下文使用
3、释放信号量
void up(struct semaphore * sem);
该函数释放信号量sem，即把sem的值加1，如果sem的值为非正数，表明有任务等待该信号量，因此唤醒所有这些等待者的其中一个等待任务。
4、使用案例
#define N 15
int num;
struct semaphore sem_1, sem_2;int ThreadFunc1(void *context)
{char *tmp=(char*)context;while(num<N){down(&sem_1); printk("%s-before-num:%d\n",tmp,num);msleep(1000);num++;printk("%s-after-num:%d\n",tmp,num);up(&sem_1);}return 0;
}
int ThreadFunc2(void *context)
{char *tmp=(char*)context;while(num<N){down(&sem_1);printk("%s-before-num:%d\n",tmp,num);msleep(1000);num++;printk("%s-after-num:%d\n",tmp,num);up(&sem_1);}return 0;
}static int __init gpio_init(void)
{printk(" up. \n"); sema_init(&sem_1, 1);sema_init(&sem_2, 0);kthread_run(ThreadFunc1,"123a", "123");kthread_run(ThreadFunc2,"456a", "456");return 0;
}static void __exit gpio_exit(void)
{printk( " down.\n");
}module_init(gpio_init);
module_exit(gpio_exit);MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");二、互斥锁
如果初始值为1，表示只有1个任务可以访问，信号量变成互斥锁（Mutex）。可见互斥锁是信号量的特例。
互斥锁（mutex）是在原子操作API的基础上实现的信号量行为。互斥锁不能进行递归锁定或解锁，能用于进程上下文，同一时间只能有一个任务持有互斥锁。
互斥锁功能上基本上与信号量一样，互斥锁占用空间比信号量小，运行效率比信号量高。
互斥锁的API
DEFINE_MUTEX(mutexname)
静态创建和初始化互斥锁。
mutex_init(struct mutex* lock);
动态创建和初始化互斥锁。void mutex_lock(struct mutex *lock);
加锁。 若无法获得锁，则休眠
int mutex_trylock(struct mutex *lock);
尝试加锁。 若已经无法获得锁，则直接返回。用在中断void mutex_unlock(struct mutex *lock);
解锁，并唤醒其他需要锁的任务 三、自旋锁
自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻**最多只能有一个执行单元(**进程或中断处理程序)获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。
自旋锁实际上是忙等待，自旋锁可能导致系统死锁
死锁：简单说，就是当前任务在获得自旋锁之后，释放自旋锁之前，主动调用一些函数让出CPU的控制权（比如主动调用sleep休眠或主动调用内核调度函数schedule去调度其他任务），这时候，如果被调度进来的任务也想去获得该自旋锁，便会进入死循环轮询等待，即发生了死锁。
自旋锁不允许睡眠或阻塞
只有一个进程不会死锁，两个或两个以上的进程才会死锁
1、初始化
动态初始化:
spin_lock_init(spinlock_t *lock);
该宏用于初始化自旋锁x
静态：
DEFINE_SPINLOCK(spinlock_t x)
该宏声明一个自旋锁x并初始化它。
SPIN_LOCK_UNLOCKED
该宏用于静态初始化一个自旋锁。
//DEFINE_SPINLOCK(spinlock_t x)等同于spinlock_t x = SPIN_LOCK_UNLOCKED
2、获得自旋锁
spin_trylock(lock)
该宏尽力获得自旋锁lock，如果能立即获得锁，它获得锁并返回真，
否则不能立即获得锁，立即返回假。它不会自旋等待lock被释放。
spin_lock(lock)
该宏用于获得自旋锁lock，如果能够立即获得锁，它就马上返回，
否则，它将自旋在那里，直到该自旋锁的保持者释放，这时，它
获得锁并返回。总之，只有它获得锁才返回
spin_lock_irqsave(lock, flags)
该宏获得自旋锁的同时把标志寄存器的值保存到变量flags中并失效本地中断。
spin_lock_irq(lock)
该宏类似于spin_lock_irqsave，只是该宏不保存标志寄存器的值。
spin_lock_bh(lock)
该宏在得到自旋锁的同时失效本地软中断。
spin_trylock_irqsave(lock, flags)
该宏如果获得自旋锁lock，它也将保存标志寄存器的值到变量flags中，
并且失效本地中断，如果没有获得锁，它什么也不做。因此如果能够立即获得锁，
它等同于spin_lock_irqsave，如果不能获得锁，它等同于spin_trylock。
如果该宏获得自旋锁lock，那需要使用spin_unlock_irqrestore来释放。
spin_trylock_irq(lock)
该宏类似于spin_trylock_irqsave，只是该宏不保存标志寄存器。
如果该宏获得自旋锁lock，需要使用spin_unlock_irq来释放。
spin_trylock_bh(lock)
该宏如果获得了自旋锁，它也将失效本地软中断。如果得不到锁，
它什么也不做。因此，如果得到了锁，它等同于spin_lock_bh，
如果得不到锁，它等同于spin_trylock。如果该宏得到了自旋锁，
需要使用spin_unlock_bh来释放。
3、释放自旋锁
spin_unlock(lock)
该宏释放自旋锁lock，它与spin_trylock或spin_lock配对使用。
如果spin_trylock返回假，表明没有获得自旋锁，因此不必使用spin_unlock释放
spin_unlock_irqrestore(lock, flags)
该宏释放自旋锁lock的同时，也恢复标志寄存器的值为变量flags保存的值。
它与spin_lock_irqsave配对使用。
spin_unlock_irq(lock)
该宏释放自旋锁lock的同时，也使能本地中断。
它与spin_lock_irq配对应用。
spin_unlock_bh(lock)
该宏释放自旋锁lock的同时，也使能本地的软中断。
它与spin_lock_bh配对使用。
spin_unlock_wait(x)
该宏用于等待自旋锁x变得没有被任何执行单元保持，
如果没有任何执行单元保持该自旋锁，该宏立即返回，否则将循环在那里，
直到该自旋锁被保持者释放。
4、判断自旋锁
spin_is_locked(x)
该宏用于判断自旋锁x是否已经被某执行单元保持（即被锁），
如果是，返回真，否则返回假。
spin_can_lock(lock)
该宏用于判断自旋锁lock是否能够被锁，它实际是spin_is_locked取反。
如果lock没有被锁，它返回真，否则，返回假。
5、自旋锁使用注意事项
注意：
自旋锁与中断：进程A占用锁后，内核的抢占暂时被禁止（但无法禁止中断抢占进程）。这时候突然发生中断，然后中断处理函数里想要获得这个锁时，发生了死锁。
所以需要改用spin_lock_irq或spin_lock_irqsave。解锁换成对应的spin_unlock_irq或spin_unlock_irqrestore。
进程上下文与软中断上下文：
只在进程上下文访问和软中断上下文访问，那么当在进程上下文访问共享资源时，可能被软中断打断，从而可能进入软中断上下文来对被保护的共享资源访问，因此对于这种情况，对共享资源的访问必须使用spin_lock_bh和spin_unlock_bh来保护。
当然使用spin_lock_irq和spin_unlock_irq以及spin_lock_irqsave和spin_unlock_irqrestore也可以，它们失效了本地硬中断，失效硬中断，隐式地也失效了软中断。但是使用spin_lock_bh和spin_unlock_bh是最恰当的，它比其他两个快。
进程上下文 和 tasklet或timer上下文：
在进程上下文和tasklet或timer上下文访问，那么应该使用与上面情况（进程上下文和软中断上下文）相同的获得和释放锁的宏，因为tasklet和timer是用软中断实现的。
进程上下文 和 中断上下文：
在进程或软中断上下文需要使用spin_lock_irq和spin_unlock_irq来保护对共享资源的访问。 在中断处理句柄中使用，如果只有一个（硬），仅需要spin_lock和spin_unlock，不同的（硬）中断，使用spin_lock_irq和spin_unlock_irq
tasklet或timer上下文：
不需要任何自旋锁保护，同一个tasklet或timer只能在一个CPU上运行
一个或多个软中断上下文：
只在一个软中断（tasklet和timer除外）上下文访问，那么这个共享资源需要用spin_lock和spin_unlock来保护，在两个或多个软中断上下文访问，那么这个共享资源当然更需要用spin_lock和spin_unlock来保护 ， 没必要使用spin_lock_bh
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