134 十面埋伏的并发(三)：信号量

最新推荐文章于 2025-09-08 17:16:44 发布

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本文详细介绍了Linux内核中的信号量机制，包括其本质——作为计数器控制公共资源访问，以及与自旋锁的区别。重点阐述了信号量的API用法，如初始化、获取、尝试获取和释放信号量，并通过一个LED控制的驱动程序示例展示了信号量的实际应用。该示例中，信号量用于保护对GPIO资源的访问，确保并发安全。

文章目录

一、本质

计数器，用来控制对公共资源的访问

二、特点

主要用于长时期的资源占用的场合，而自旋锁用于短时间的资源占用。
获取信号量失败，触发上下文调度，当前进程(线程)陷入休眠，系统开销（进程/线程调度）大

三、信号量相关API

1、定义信号量

struct semaphore sem;

2、初始化信号量

// sem：指定要初始化的信号量指针
// val：信号量的初始值
static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val)

参数：

sem：指定要初始化的信号量指针
val：信号量的初始值

3、获取信号量

void down(struct semaphore *sem);

参数：

sem：指定要初始化的信号量

4、尝试获取信号量

int down_trylock(struct semaphore *sem)

尝试获取一次信号量，获取成功返回0,获取失败返回非0值。

5、释放信号量

void up(struct semaphore *sem)

参数：

sem：指定要初始化的信号量

三、例程

test.c

#include<linux/module.h>
#include<linux/kernel.h>
#include<linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include<linux/slab.h>
#include<linux/io.h>
#include<linux/uaccess.h>
#include<linux/cdev.h>
#include<linux/device.h>
#include<linux/of.h>
#include<linux/of_address.h>
#include<linux/of_irq.h>

#define DTSLED_NAME "dtsled"
#define LED_OFF 0
#define LED_ON 1

// 定义一组全局变量，用于存放映射得到的虚拟地址
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;

struct semaphore sem;

extern struct dtsled_dev dtsled;

static void led_switch(u8 state)
{
    u32 val = 0;
    if(state == LED_ON)
    {
        val = readl(GPIO1_DR);
        val &= (~(1<<3));
        writel(val, GPIO1_DR);
    }
    else if(state == LED_OFF)
    {
        val = readl(GPIO1_DR);
        val |= (1<<3);
        writel(val, GPIO1_DR);
    }
}


static int dtsled_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    down(&sem);
	// struct file 结构体定义在 include/linux/fs.h 中
	// struct file 有一个成员（空指针）：void *private_data
    printk("%s(%d):%s\n", __FILE__, __LINE__, __func__);
    filp->private_data = &dtsled;
    return 0;
}

static int dtsled_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    //struct dtsled_dev *dev = (struct dtsled_dev *)filp->private_data;
    up(&sem);
    return 0;
}

static ssize_t dtsled_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    int ret;
    u8 databuf[1];
    //struct dtsled_dev *dev = (struct dtsled_dev *)filp->private_data;
    printk("%s(%d):%s\n", __FILE__, __LINE__, __func__);
    printk("%s(%d):buf=(%s), count=%d\n", __FILE__, __LINE__, buf, count);
    ret = copy_from_user(databuf, buf, count);
    printk("%s(%d):databuf=(%s)\n", __FILE__, __LINE__, databuf);
    if(ret < 0)
    {
        printk("Kernel write failed.\r\n");
        return -1;
    }
    printk("%s(%d):%s\n", __FILE__, __LINE__, __func__);
    led_switch(databuf[0]-'0');
    
    return 0;
}



// 操作集结构体，是 struct cdev 的成员
static const struct file_operations dtsled_fops =
{
    .owner = THIS_MODULE,
    .write = dtsled_write,
    .open = dtsled_open,
    .release = dtsled_release,
};

// 自定义结构体类型来描述 LED
struct dtsled_dev
{
   dev_t devid;
   struct cdev cdev; // 用于注册字符设备，操作集结构体是其成员变量
   struct file_operations dtsled_fops; // 操作集结构体
   struct class *class; // 用于自动创建设备节点
   struct device *device; // 用于自动创建设备节点
   u32 major;
   u32 minor;
   struct device_node *nd; // 设备树结点，用来表示 LED 设备节点
};

// 自定结构体来描述 LED 
struct dtsled_dev dtsled;

// 驱动入口函数
static int __init dtsled_init(void)
{
    int ret = 0;
    int val = 0;
    const char *str;
    u32 regdata[10];
    u8 i;

    // 1、使用新方法来获取设备号
    dtsled.major = 0;
    if(dtsled.major)
    {
        dtsled.devid = MKDEV(dtsled.major, 0);
        ret = register_chrdev_region(dtsled.devid, 1, DTSLED_NAME);
    }
    else
    {
        ret = alloc_chrdev_region(&dtsled.devid, 0, 1, DTSLED_NAME);
        dtsled.major = MAJOR(dtsled.devid);
        dtsled.minor = MINOR(dtsled.devid);
    }
    if(ret < 0)
    {
        printk("%d:Register char dev error.\r\n", __LINE__);
        goto fail_devid;
    }
    
    // 2、添加（注册）字符设备
    dtsled.cdev.owner = THIS_MODULE;
    // zhu yi liang ge qu di zhi fu !
    cdev_init(&dtsled.cdev, &dtsled_fops);
    ret = cdev_add(&dtsled.cdev, dtsled.devid, 1);
    if(ret < 0)
    {
        goto fail_cdev;
    }
    
    // 3、自动创建设备节点，需要一个 struct class，一个 struct device
    dtsled.class = class_create(THIS_MODULE, DTSLED_NAME);
    if(IS_ERR(dtsled.class))
    {
        ret = PTR_ERR(dtsled.class);
        goto fail_class;
    }
    
    //  第一个 NULL 表示副设备,  第二个 NULL 表示 drvdata
    dtsled.device = device_create(dtsled.class, NULL, dtsled.devid, NULL, DTSLED_NAME);
    if(IS_ERR(dtsled.device))
    {
        ret = PTR_ERR(dtsled.device);
        goto fail_device;
    }
    
    // 4、设备树相关，读取属性值
    dtsled.nd = of_find_node_by_path("/alpha_led");
    if(dtsled.nd == NULL)
    {
        goto fail_findnd;
    }
    // 获取状态属性，注意是指针的指针
    ret = of_property_read_string(dtsled.nd, "status", &str);
    if(ret)
    {
        printk("%d:fail\r\n", __LINE__);
        goto fail_rs;
    }
    else
    {
        printk("%d:status = \"%s\"\r\n", __LINE__, str);
    }
    //huoqu shuxing
    ret = of_property_read_string(dtsled.nd, "compatible", &str);
    if(ret)
    {
        printk("%d:fail\r\n", __LINE__);
        goto fail_rs;
    }
    else
    {
        printk("%d:compatible = \"%s\"\r\n", __LINE__, str);
    }
    // 获取 reg 属性, 也就是获取 u32 类型属性值的方法
    ret = of_property_read_u32_array(dtsled.nd, "reg", regdata, 10);
    if(ret < 0)
    {
        printk("%d:fail\r\n", __LINE__);
        goto fail_rs;
    }
    else
    {
        printk("< reg > = < ");
        for(i=0; i<10; i++)
        {
            printk("%#X ", regdata[i]);
        }
        printk(">\r\n");
    }

    // 5、初始化 LED
    IMX6U_CCM_CCGR1 = of_iomap(dtsled.nd, 0);
    SW_MUX_GPIO1_IO03 = of_iomap(dtsled.nd, 1);
    SW_PAD_GPIO1_IO03 = of_iomap(dtsled.nd, 2);
    GPIO1_DR = of_iomap(dtsled.nd, 3);
    GPIO1_GDIR = of_iomap(dtsled.nd, 4);

    // 初始化 LED 相关寄存器
    val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
    val &= (~(3<<26));
    val |= (3<<26);
    writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);
   
    writel(0X5, SW_MUX_GPIO1_IO03);//io mux
    writel(0X10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03); // set electrical properity
   
    val = readl(GPIO1_GDIR); // set bit3, out
    val |= (1<<3); 
    writel(val, GPIO1_GDIR);

    val = readl(GPIO1_DR);
    val &= (~(1<<3));//turn on led 
    writel(val, GPIO1_DR);

    //chushihua xinhaoliang
    sema_init(&sem, 1);
    return 0;

fail_rs:
fail_findnd:
    device_destroy(dtsled.class, dtsled.devid);
fail_device:
    class_destroy(dtsled.class);
fail_class:
    cdev_del(&dtsled.cdev);
fail_cdev:
    unregister_chrdev_region(dtsled.devid, 1);
fail_devid:
    return ret;
}

// 出口函数
static void __exit dtsled_exit(void)
{
    unsigned int val = 0;
    val = readl(GPIO1_DR);
    val |= (1<<3); // turn off led
    writel(val, GPIO1_DR);
    // 取消地址映射
    iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
    iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);
    iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);
    iounmap(GPIO1_DR);
    iounmap(GPIO1_GDIR);

    // 删除字符设备
    cdev_del(&dtsled.cdev);
    // 释放设备号
    unregister_chrdev_region(dtsled.devid, 1);
    // 删除设备
    device_destroy(dtsled.class, dtsled.devid);
    // 删除类
    class_destroy(dtsled.class);
}

// 注册出口函数和入口函数
module_init(dtsled_init);
module_exit(dtsled_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

app.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int error;
    int fd;

    if(argc != 3)
    {
        printf(" command error ! \n");
        return -1;
    }

    /*打开文件*/
    fd = open(argv[1], O_RDWR);
    if(fd < 0)
    {
		printf("%s(%d):fail to open file : %s !!!\n", __FILE__, __LINE__, argv[1]);
		return -1;
	}

    error = write(fd,argv[2],sizeof(argv[2]));
    if(error < 0)
    {
        printf("%s(%d):write file error! \n", __FILE__, __LINE__);
        close(fd);
        /*判断是否关闭成功*/
    }
    printf("%s(%d):wait for 10s! \n", __FILE__, __LINE__);
    sleep(10);
    printf("%s(%d):will release the dev! \n", __FILE__, __LINE__);
    /*关闭文件*/
    error = close(fd);
    if(error < 0)
    {
        printf("%s(%d):close file error! \n", __FILE__, __LINE__);
    }
    return 0;
}