對(duì)于信號(hào)量我們并不陌生。信號(hào)量在計(jì)算機(jī)科學(xué)中是一個(gè)很容易理解的概念。本質(zhì)上，信號(hào)量就是一個(gè)簡(jiǎn)單的整數(shù)，對(duì)其進(jìn)行的操作稱(chēng)為PV操作。進(jìn)入某段臨界代碼段就會(huì)調(diào)用相關(guān)信號(hào)量的P操作;如果信號(hào)量的值大于0，該值會(huì)減1，進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。相反，如果信號(hào)量的值等于0，該進(jìn)程就會(huì)等待，直到有其它程序釋放該信號(hào)量。釋放信號(hào)量的過(guò)程就稱(chēng)為V操作，通過(guò)增加信號(hào)量的值，喚醒正在等待的進(jìn)程。

Linux內(nèi)核中的信號(hào)量(Semaphore)是一種用于資源管理的同步原語(yǔ)，它允許多個(gè)進(jìn)程或線程對(duì)共享資源進(jìn)行訪問(wèn)控制。信號(hào)量的主要作用是限制對(duì)共享資源的并發(fā)訪問(wèn)數(shù)量，從而防止系統(tǒng)過(guò)載和數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題。

基礎(chǔ)概念

信號(hào)量本質(zhì)上是一個(gè)整型變量，其值表示可用資源的數(shù)量。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程或線程需要訪問(wèn)共享資源時(shí)，它會(huì)嘗試獲取信號(hào)量。如果信號(hào)量的值大于0，則表示有可用資源，進(jìn)程或線程可以繼續(xù)執(zhí)行，并將信號(hào)量的值減1;如果信號(hào)量的值為0，則表示沒(méi)有可用資源，進(jìn)程或線程將被阻塞，直到其他進(jìn)程或線程釋放資源并增加信號(hào)量的值。

優(yōu)勢(shì)

簡(jiǎn)單易用：信號(hào)量的API相對(duì)簡(jiǎn)單，易于理解和使用。

靈活控制：通過(guò)調(diào)整信號(hào)量的初始值，可以靈活地控制對(duì)共享資源的并發(fā)訪問(wèn)數(shù)量。

避免死鎖：合理使用信號(hào)量可以避免多個(gè)進(jìn)程或線程因爭(zhēng)奪資源而導(dǎo)致的死鎖問(wèn)題。

類(lèi)型

Linux內(nèi)核中的信號(hào)量主要分為兩種類(lèi)型：

計(jì)數(shù)信號(hào)量：計(jì)數(shù)信號(hào)量的值表示可用資源的數(shù)量，其取值范圍為非負(fù)整數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)信號(hào)量的值為0時(shí)，表示沒(méi)有可用資源。

二進(jìn)制信號(hào)量：二進(jìn)制信號(hào)量只有兩個(gè)狀態(tài)：0和1。它通常用于實(shí)現(xiàn)互斥鎖，確保同一時(shí)間只有一個(gè)進(jìn)程或線程可以訪問(wèn)共享資源。

應(yīng)用場(chǎng)景

信號(hào)量廣泛應(yīng)用于各種需要同步控制的場(chǎng)景，例如：

資源限制：當(dāng)需要限制對(duì)某種資源(如數(shù)據(jù)庫(kù)連接、文件句柄等)的并發(fā)訪問(wèn)數(shù)量時(shí)，可以使用信號(hào)量進(jìn)行控制。

互斥訪問(wèn)：當(dāng)多個(gè)進(jìn)程或線程需要互斥地訪問(wèn)共享資源時(shí)，可以使用二進(jìn)制信號(hào)量實(shí)現(xiàn)互斥鎖。

生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型：在生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型中，生產(chǎn)者線程生產(chǎn)數(shù)據(jù)并放入緩沖區(qū)，消費(fèi)者線程從緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過(guò)使用信號(hào)量來(lái)控制緩沖區(qū)的空閑空間和已占用空間的數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的同步。

常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法

信號(hào)量死鎖：當(dāng)多個(gè)進(jìn)程或線程在獲取信號(hào)量時(shí)形成循環(huán)等待，就會(huì)導(dǎo)致死鎖。為了避免死鎖，可以采取以下措施：

確保所有進(jìn)程或線程以相同的順序獲取信號(hào)量。

使用超時(shí)機(jī)制，當(dāng)?shù)却盘?hào)量的時(shí)間超過(guò)一定閾值時(shí)自動(dòng)放棄。

合理設(shè)計(jì)資源分配策略，避免資源過(guò)度集中。

信號(hào)量泄漏：如果某個(gè)進(jìn)程或線程在獲取信號(hào)量后沒(méi)有正確釋放，就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)量泄漏。為了避免信號(hào)量泄漏，可以采取以下措施：

在代碼中明確釋放信號(hào)量的位置，并確保在異常情況下也能正確釋放。

使用RAII(Resource Acquisition Is Initialization)技術(shù)，在對(duì)象生命周期結(jié)束時(shí)自動(dòng)釋放信號(hào)量。

信號(hào)量本質(zhì)上是一個(gè)整型變量，其值表示可用資源的數(shù)量。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程或線程需要訪問(wèn)共享資源時(shí)，它會(huì)嘗試獲取信號(hào)量。如果信號(hào)量的值大于0，則表示有可用資源，進(jìn)程或線程可以繼續(xù)執(zhí)行，并將信號(hào)量的值減1;如果信號(hào)量的值為0，則表示沒(méi)有可用資源，進(jìn)程或線程將被阻塞，直到其他進(jìn)程或線程釋放資源并增加信號(hào)量的值。

優(yōu)勢(shì)

簡(jiǎn)單易用：信號(hào)量的API相對(duì)簡(jiǎn)單，易于理解和使用。

靈活控制：通過(guò)調(diào)整信號(hào)量的初始值，可以靈活地控制對(duì)共享資源的并發(fā)訪問(wèn)數(shù)量。

避免死鎖：合理使用信號(hào)量可以避免多個(gè)進(jìn)程或線程因爭(zhēng)奪資源而導(dǎo)致的死鎖問(wèn)題。

類(lèi)型

Linux內(nèi)核中的信號(hào)量主要分為兩種類(lèi)型：

計(jì)數(shù)信號(hào)量：計(jì)數(shù)信號(hào)量的值表示可用資源的數(shù)量，其取值范圍為非負(fù)整數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)信號(hào)量的值為0時(shí)，表示沒(méi)有可用資源。

二進(jìn)制信號(hào)量：二進(jìn)制信號(hào)量只有兩個(gè)狀態(tài)：0和1。它通常用于實(shí)現(xiàn)互斥鎖，確保同一時(shí)間只有一個(gè)進(jìn)程或線程可以訪問(wèn)共享資源。

應(yīng)用場(chǎng)景

信號(hào)量廣泛應(yīng)用于各種需要同步控制的場(chǎng)景，例如：

資源限制：當(dāng)需要限制對(duì)某種資源(如數(shù)據(jù)庫(kù)連接、文件句柄等)的并發(fā)訪問(wèn)數(shù)量時(shí)，可以使用信號(hào)量進(jìn)行控制。

互斥訪問(wèn)：當(dāng)多個(gè)進(jìn)程或線程需要互斥地訪問(wèn)共享資源時(shí)，可以使用二進(jìn)制信號(hào)量實(shí)現(xiàn)互斥鎖。

生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型：在生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型中，生產(chǎn)者線程生產(chǎn)數(shù)據(jù)并放入緩沖區(qū)，消費(fèi)者線程從緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過(guò)使用信號(hào)量來(lái)控制緩沖區(qū)的空閑空間和已占用空間的數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的同步。

常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法

信號(hào)量死鎖：當(dāng)多個(gè)進(jìn)程或線程在獲取信號(hào)量時(shí)形成循環(huán)等待，就會(huì)導(dǎo)致死鎖。為了避免死鎖，可以采取以下措施：

確保所有進(jìn)程或線程以相同的順序獲取信號(hào)量。

使用超時(shí)機(jī)制，當(dāng)?shù)却盘?hào)量的時(shí)間超過(guò)一定閾值時(shí)自動(dòng)放棄。

合理設(shè)計(jì)資源分配策略，避免資源過(guò)度集中。

信號(hào)量泄漏：如果某個(gè)進(jìn)程或線程在獲取信號(hào)量后沒(méi)有正確釋放，就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)量泄漏。為了避免信號(hào)量泄漏，可以采取以下措施：

在代碼中明確釋放信號(hào)量的位置，并確保在異常情況下也能正確釋放。

使用RAII(Resource Acquisition Is Initialization)技術(shù)，在對(duì)象生命周期結(jié)束時(shí)自動(dòng)釋放信號(hào)量。

信號(hào)量基礎(chǔ)概念△ 信號(hào)量簡(jiǎn)介

信號(hào)量是一種同步機(jī)制，在計(jì)算機(jī)科學(xué)中占據(jù)著重要的地位。它本質(zhì)上是一個(gè)簡(jiǎn)單的整數(shù)，其操作被稱(chēng)為PV操作。當(dāng)進(jìn)程試圖進(jìn)入某段臨界代碼時(shí)，會(huì)調(diào)用相關(guān)信號(hào)量的P操作。如果信號(hào)量的值大于0，該值會(huì)減1，進(jìn)程得以繼續(xù)執(zhí)行。然而，若信號(hào)量的值為0，則該進(jìn)程必須等待，直至其他進(jìn)程釋放該信號(hào)量。此時(shí)，V操作便派上了用場(chǎng)，它通過(guò)增加信號(hào)量的值來(lái)喚醒正在等待的進(jìn)程。

信號(hào)量這一命名源于狄克斯特拉在荷蘭文中的定義：通過(guò)叫passeren(意為通過(guò))和vrijgeven(意為釋放)。這一命名方式在計(jì)算機(jī)術(shù)語(yǔ)中實(shí)屬罕見(jiàn)，為數(shù)不多。

△ Linux信號(hào)量類(lèi)別

在Linux系統(tǒng)中，存在兩類(lèi)信號(hào)量：內(nèi)核使用的信號(hào)量以及用戶態(tài)使用的信號(hào)量(遵循System V IPC信號(hào)量要求)。本文將主要聚焦于內(nèi)核信號(hào)量的研究，而進(jìn)程間通信所涉及的信號(hào)量將在后續(xù)進(jìn)行分析。因此，下文中提及的信號(hào)量均指內(nèi)核信號(hào)量。

△ 信號(hào)量與自旋鎖比較

與自旋鎖相比，信號(hào)量的使用方式有所不同。自旋鎖在獲取失敗時(shí)會(huì)進(jìn)入忙等待狀態(tài)，持續(xù)自旋;而信號(hào)量則允許獲取失敗的進(jìn)程被掛起，直至資源釋放后繼續(xù)運(yùn)行。值得注意的是，信號(hào)量?jī)H適用于允許休眠的程序，如中斷處理程序和可延時(shí)函數(shù)等則無(wú)法使用。

02信號(hào)量實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)△ 信號(hào)量結(jié)構(gòu)體

信號(hào)量的結(jié)構(gòu)體為semaphore，其中包含以下成員：

count：這是一個(gè)原子變量，其類(lèi)型為atomic_t。當(dāng)count的值大于0時(shí)，表示信號(hào)量處于釋放狀態(tài)，即可以被使用。若count等于0，則表示信號(hào)量已被占用，但無(wú)其他進(jìn)程在等待受信號(hào)量保護(hù)的資源。而當(dāng)count為負(fù)值時(shí)，意味著受保護(hù)的資源不可用，且至少有一個(gè)進(jìn)程在等待該資源。

wait：此成員存儲(chǔ)休眠進(jìn)程等待隊(duì)列的地址，這些進(jìn)程都試圖訪問(wèn)由該信號(hào)量保護(hù)的資源。顯然，如果count大于0，則該等待隊(duì)列為空。

sleepers：此標(biāo)志用于指示是否有進(jìn)程正在等待該信號(hào)量。

△ 信號(hào)量初始化變革

值得注意的是，盡管信號(hào)量可以支持較大的count值，但在Linux內(nèi)核中，互斥信號(hào)量(MUTEX)是信號(hào)量的一種特殊且常用的形式。因此，在早期的內(nèi)核版本(2.6.37之前)，提供了專(zhuān)門(mén)的函數(shù)來(lái)初始化互斥信號(hào)量，如init\_MUTEX()將互斥信號(hào)量的count設(shè)為1，允許進(jìn)程加鎖訪問(wèn)資源，而init\_MUTEX\_LOCKED()則將count設(shè)為0，表示資源已被鎖定，進(jìn)程需等待解鎖后方可訪問(wèn)。此外，還有靜態(tài)初始化方法DECLARE\_MUTEX和DECLARE\_MUTEX\_LOCKED，它們的作用與上述初始化函數(shù)相似，但適用于靜態(tài)分配的信號(hào)量變量。同時(shí)，count也可以被初始化為大于1的整數(shù)，以允許多個(gè)進(jìn)程并發(fā)訪問(wèn)資源。

然而，自Linux內(nèi)核2.6.37版本起，先前的一系列函數(shù)和宏定義已被廢棄。這背后的原因何在?原來(lái)，隨著Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)的演變，互斥信號(hào)量已成為主流，而傳統(tǒng)的信號(hào)量使用逐漸減少。既然如此，為何不直接采用自旋鎖與一個(gè)int型整數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化信號(hào)量的設(shè)計(jì)呢?這樣的做法不僅使得自旋鎖的互斥性得以充分利用，還能讓代碼更為精簡(jiǎn)。

△ 信號(hào)量獲取釋放過(guò)程

在Linux內(nèi)核的發(fā)展過(guò)程中，信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)方式已經(jīng)發(fā)生了變化，因此其獲取和釋放的過(guò)程也必然隨之調(diào)整。為了深入理解信號(hào)量，并探究?jī)?nèi)核設(shè)計(jì)的思想和機(jī)制，我們首先來(lái)了解一下早期版本內(nèi)核中獲取和釋放信號(hào)量的具體流程。

在信號(hào)量的釋放方面，其過(guò)程相較于獲取要更為簡(jiǎn)潔。當(dāng)進(jìn)程需要釋放內(nèi)核信號(hào)量時(shí)，會(huì)調(diào)用up()函數(shù)。這個(gè)函數(shù)的核心操作是增加信號(hào)量的計(jì)數(shù)，即通過(guò)一系列匯編指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。

而獲取信號(hào)量的過(guò)程則相對(duì)復(fù)雜，涉及到等待隊(duì)列、自旋鎖等多方面的機(jī)制。

接下來(lái)，我們將深入分析信號(hào)量的釋放過(guò)程。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程想要釋放信號(hào)量時(shí)，它會(huì)執(zhí)行up()函數(shù)。這個(gè)函數(shù)首先將信號(hào)量的計(jì)數(shù)加一，然后根據(jù)計(jì)數(shù)的情況決定是否需要調(diào)用__up()函數(shù)。如果計(jì)數(shù)達(dá)到某個(gè)閾值，就會(huì)觸發(fā)特定的處理邏輯。此外，為了確保操作的原子性，整個(gè)過(guò)程中涉及到自旋鎖的獲取和釋放，以及寄存器的保存和恢復(fù)等操作。