Linux 内核 semaphore（信号量）机制详解

1. 背景与意义

1.1 并发与同步的挑战

在多任务操作系统中，多个进程或线程可能会并发访问共享资源（如内存、设备、数据结构等）。如果没有合适的同步机制，容易导致数据竞争、死锁、资源泄漏等严重问题。为此，操作系统提供了多种同步原语，信号量（semaphore）就是其中一种经典且强大的机制。

1.2 信号量的作用

信号量是一种用于控制多个进程/线程对共享资源访问的同步工具。它可以用来实现互斥（mutex）、资源计数、生产者-消费者等多种同步场景。Linux 内核实现了两种信号量：

• 二值信号量（binary semaphore）：类似互斥锁，只能取 0 或 1。

• 计数信号量（counting semaphore）：可取任意非负整数，表示可用资源的数量。

Linux 内核的 struct semaphore 实现的是计数信号量。

2. semaphore 的核心原理

2.1 计数信号量的基本思想

• 信号量维护一个整数计数值 count，表示可用资源的数量。

• P 操作（down/acquire）：当进程需要访问资源时，尝试将信号量减 1。如果