Linux设备驱动之semaphore机制

Linux设备驱动之semaphore机制
在Linux系统中，信号号是一种重要的加锁机制，特别在互斥型资源中，semaphore更能很好的工作。
1: semaphore结构体定义
在Linux2.6.35内核中，semaphore的实现机制与以前的版本一点不同，在其中去除了DECLARE_MUTEX_LOCKED这个初始化互斥宏定义，但是，又添加了一个特别重要的函数，down_killable，这个函数的添加，使此版本的semaphore机制比以往的更强。semaphore结构全定义如下所示。

C/C++ code

struct semaphore {
    spinlock_t        lock;      /*  自旋锁结构体变量  */
    unsigned int        count;     /*  用于计录资料数量  */
    struct list_head    wait_list;   /*  内部链表结构体变量 */
}; 

从此结构体中可以看从，semaphore机制也就是自旋锁的包装，在后面的分析中，读者将会明白我为什么会这样说。
2: semaphore提供的操作函数
在semaphore机制中，系统给我们提供也几个函数用于操作，正因为内核给 
我们提供了这些函数接口，我们才能应用其来更好的完成我们对互斥型资料的加锁，使其能准确无误的在SMP或者多线程中应用。semaphore提供接口函数如下所示。
 DECLARE_MUTEX
 init_MUTEX
 init_MUTEX_LOCKED
 down
 down_interruptible
 down_killable
 down_trylock
 down_timeout
 up

3 DECLARE_MUTEX接口分析
DECLARE_MUTEX接口为一个宏定义，此定义调用另一个宏定义来完成对 
互斥型信号量进行初始化，其原型如下。

C/C++ code

#define DECLARE_MUTEX(name)    \
    struct semaphore name = __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, 1)

此宏用于初始化一个名为name的信号量，并把其资料数初始化为1。其中name为信号的名字，name为符合系统的标号，且不需提前定义。比如我们想定义一个名为my_semaphore的互斥型信号量，并把它初始化为1，我们将应用这个接口来实现，实现代码如下。

C/C++ code

DECLARE_MUTEX(my_semaphore);

从DECLARE_MUTEX宏义看出，此宏是通过调用另一个宏来实现的，此宏定义实现如下。

C/C++ code

#define __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, n)                \
{                                    \
    .lock        = __SPIN_LOCK_UNLOCKED((name).lock),        \
    .count        = n,                        \
    .wait_list    = LIST_HEAD_INIT((name).wait_list),        \
}

4 init_MUTEX接口分析
init_MUTEX接口用于动态初始化一个信号量，此接口也是一个宏定义，通 
过调用sema_init函数来完成，此宏定义原型如下。

C/C++ code

#define init_MUTEX(sem)        sema_init(sem, 1)

其中sem为struct semaphore结构体变量，所以，在应用此宏来初始化一个信号前，必须定义一个struct semaphore结构体变量。此宏初始化一个名为sem的信号量，并把其资料初始化为1。
在此宏中我们看到，宏定义是通过调用sema_init函数来完成初始化的，所可，可以这样说，真正初始化sem信号量的应该是sema_init函数。为了读者方便查看，所以在此把sema_init函数的实现过程列出，关于此函数请读者自行查看\include\linux\semaphore.h文件，这样读者对semaphore的理解更加深入。sema_init函数实现如下。

C/C++ code

static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val)
{
    static struct lock_class_key __key;
    *sem = (struct semaphore) __SEMAPHORE_INITIALIZER(*sem, val);
    lockdep_init_map(&sem->lock.dep_map, "semaphore->lock", &__key, 0);
}

5 init_MUTEX_LOCKED接口分析
init_MUTEX_LOCKED接口的实现与init_MUTEX接口的实现过程是一样的， 
只是此接口把资源数初始化为0。所以在此不再进行分析，其实现如下。

C/C++ code

#define init_MUTEX_LOCKED(sem)    sema_init(sem, 0)

6 __down_common函数分析
在进行分析互斥信号量相关操作之前，进行分析一个特别重要的函数，因为 
这个函数非常重要，semaphore的加锁操作都是基于这个函数实现的，所以，在分析它们之前进行分析这个函数，读者更加能看懂semaphore的实现过程。此函数的原型如下。

C/C++ code

static inline int __sched __down_common(struct semaphore *sem, long state,
                                long timeout)

在此函数中应用到的task_struct相关的知识，对于task_struct的知识在这个函数本人不进行分析，同时也不进行说明，因为task_struct机制是一个复杂的机制，不是三言两语就能分析的。在此函数中同样应用自旋锁的知识，关于自旋锁的知识本人将会在自旋锁机制相关的文章进行分析，在此文章中就不进行分析。本函数中一个重要的是超时调度，这一调度的实现如下。由于应用自旋锁加以保护，所以，超时调试过程有可中断，也不可中断，这就要看传入的state是允许中断还是不允许中断。超时调度实现过程如下。

C/C++ code

timeout = schedule_timeout(timeout);

7 down接口分析
down接口用于请求一个信号量。此函数的调用将会到致调用线程的睡眠， 
直到获取到信号。同时，该函数的调用不允许中断。
在此函数中首先进行信号量资源数的查看，如果信号量数据(count)不为0，则把其减1，并返回，调用成功；否则调用__down进行等待，调用者进行睡眠。实现过程如下。

C/C++ code

void down(struct semaphore *sem)
{
    unsigned long flags;

    spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
    if (likely(sem->count > 0))
        sem->count--;
    else
        __down(sem);
    spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}

在此函数中引起调用者进行睡眠的函数是__down函数，在等待中能不能中断同样是由于__down函数引起，所以，关键点在于__down函数，__down函数的实现如下。

C/C++ code

static noinline void __sched __down(struct semaphore *sem)
{
    __down_common(sem,TASK_UNINTERRUPTIBLE,\
MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);
}

在__down函数中，通过调用__down_common函数来进行相关的操作，在上面的分析中我提到，传给__down_common函数的state参数将决定调用者是否可以中断，所以，down接口在睡眠过程中不能中断就是因为传入的实参决定。所以，在编过程中，最好很用此接口，尽量应用down_interruptible、 down_killable接口替代。MAX_SCHEDULE_TIMEOUT为一个宏定义，实定义如下。

C/C++ code

#define    MAX_SCHEDULE_TIMEOUT    LONG_MAX

LONG_MAX同时也是一个宏定义，其定义如下。

C/C++ code

#define LONG_MAX    ((long)(~0UL>>1))

所以，此接口不会因为超时而用，因为需要等待232-1个时钟滴答才能超时，这是一个很长的时间。所以，如果不使用up接口进行唤醒，整个进程将死掉。
9 down_interruptible接口分析
down_interruptible接口也是用于获取一个信号量，与down接口不同的是， 
此接口在等待过程中是可以被中断的，是正常返回还是被中断返回通过返回值进行判断，其它与down相同，所以，在此不再进行分析。
10 down_killable接口分析
down_killable与down_interruptible相同，只是传入的__down_common的实 
参不同，所以，在此不再进行分析。
11 down_trylock接口分析
down_trylock接口用于试着获取一个信号量，但是，此接口不会引起调用者 
的睡眠。不管有无可用信号量，都马上进行返回，如果返回0，则获取信号量成功，如果返回1，则获取失败。所以，在调用此接口时，必须进行返回的值的查看，看是否获取成功。其实现过程如下。

C/C++ code

int down_trylock(struct semaphore *sem)
{
    unsigned long flags;
    int count;

    spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
    count = sem->count - 1;
    if (likely(count >= 0))
        sem->count = count;
    spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);

    return (count < 0);
}

12 down_timeout接口分析
down_timeout接口的实现过程与down接口的实现过程差不多，只是此接口 
可以自定义超时时间，也就是如果在超时间内不能得到信号量，调用者会因为超时而自行唤醒。其实现过程如下，请注意超时参数的传入。

C/C++ code

int down_timeout(struct semaphore *sem, long jiffies)
{
    unsigned long flags;
    int result = 0;

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

    return result;
}

13 up接口分析
up接口用于唤醒处于等待的线程，对于某些不能获取信号量的线程，如果不 
强制唤醒，那么也许会造此线程的死掉，所以，才有up接口。此接口的实现比较简单，所以不进行详细的分析，其实现如下。

C/C++ code

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);
}

14 关于其它说明
从开始学习嵌入式Linux到现在也有差不多4个月的时间了，从一味的看书
到走进Linux内核，这是本人的一个重大的进步，很多时候知其然而不知其所以然，写不出好的程序，所以，深入Linux是每个学习嵌入式Linux驱动开发学习者的必经之路，同时也是一个生的事。
Linux内核的不断发展，每一个版本之间都或多或少的有改变，如果不进行入其内核进行分析，那么这样就等于把自己限定于某一内核版本内，对自己的技术的提高、发展有很大的影响。同时，在工作中，不是你知道什么，会什么就做什么，而是需要做什么，不管你会与会都必须得做，所以，能不能深入Linux内核在一点上把不同能力的人给区分了。
在能不能看懂Linux内核的问题上，起决定作用的是个人的C语言能力，这也是C语言好坏的体现，如果C语言不好，那么就不能可看懂Linux内核，那么也就决定了个人的发展。所以说在嵌入式C语言是决定个人发展的重大条件，同时也是个人能力的体现。