信号量
信号量（Semaphore）是操作系统中最典型的用于同步和互斥的手段，信号量的值可以是0、1或者n。
信号量与操作系统中的经典概念PV操作对应。
+ P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；②如果S≥0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。 + V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；②如果S>0，唤醒队列中等待信号量的进程。Linux中与信号量相关的操作主要有下面几种。
- 1.定义信号量
下列代码定义名称为sem的信号量：
struct semaphore sem;
- 2.初始化信号量
void sema_init(struct semaphore *sem, int val);
该函数初始化信号量，并设置信号量sem的值为val。
- 3.获得信号量
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中使用。
int down_interruptible(struct semaphore * sem);
该函数功能与down类似，不同之处为，因为down（）进入睡眠状态的进程不能被信号打断，但因为down_interruptible（）进入睡眠状态的进程能被信号打断，信号也会导致该函数返回，这时候函数的返回值非0。
int down_trylock(struct semaphore * sem);
该函数尝试获得信号量sem，如果能够立刻获得，它就获得该信号量并返回0，否则，返回非0值。它不会导致调用者睡眠，可以在中断上下文中使用。
在使用down_interruptible（）获取信号量时，对返回值一般会进行检查，如果非0，通常立即返回-ERESTARTSYS，如：
if (down_interruptible(&sem)) return -ERESTARTSYS;
- 4.释放信号量
void up(struct semaphore * sem);
该函数释放信号量sem，唤醒等待者。作为一种可能的互斥手段，**信号量可以保护临界区，它的使用方式和自旋锁类似。**与自旋锁相同，只有得到信号量的进程才能执行临界区代码。但是，与自旋锁不同的是，当获取不到信号量时，进程不会原地打转而是进入休眠等待状态。用作互斥时，信号量一般这样被使用：
由于新的Linux内核倾向于直接使用mutex作为互斥手段，信号量用作互斥不再被推荐使用。
信号量也可以用于同步，一个进程A执行down（）等待信号量，另外一个进程B执行up（）释放信号量，这样进程A就同步地等待了进程B。其过程类似：
此外，对于关心具体数值的生产者/消费者问题，使用信号量则较为合适。因为生产者/消费者问题也是一种同步问题。
互斥体
尽管信号量已经可以实现互斥的功能，但是“正宗”的mutex在Linux内核中还是真实地存在着。
下面代码定义了名为my_mutex的互斥体并初始化它：
struct mutex my_mutex; mutex_init(&my_mutex);
下面的两个函数用于获取互斥体：
void mutex_lock(struct mutex *lock); int mutex_lock_interruptible(struct mutex *lock); int mutex_trylock(struct mutex *lock);
mutex_lock（）与mutex_lock_interruptible（）的区别和down（）与down_trylock（）的区别完全一致，前者引起的睡眠不能被信号打断，而后者可以。
mutex_trylock（）用于尝试获得mutex，获取不到mutex时不会引起进程睡眠。
下列函数用于释放互斥体：
void mutex_unlock(struct mutex *lock);
mutex的使用方法和信号量用于互斥的场合完全一样：
struct mutex my_mutex; /* 定义mutex */ mutex_init(&my_mutex); /* 初始化mutex */ mutex_lock(&my_mutex); /* 获取mutex */ ... /* 临界资源*/ mutex_unlock(&my_mutex); /* 释放mutex */
自旋锁和互斥体都是解决互斥问题的基本手段，面对特定的情况，应该如何取舍这两种手段呢？选择的依据是临界区的性质和系统的特点。
从严格意义上说，互斥体和自旋锁属于不同层次的互斥手段，前者的实现依赖于后者。
在互斥体本身的实现上，为了保证互斥体结构存取的原子性，需要自旋锁来互斥。所以自旋锁属于更底层的手段。
互斥体是进程级的，用于多个进程之间对资源的互斥，虽然也是在内核中，但是该内核执行路径是以进程的身份，代表进程来争夺资源的。如果竞争失败，会发生进程上下文切换，当前进程进入睡眠状态，CPU将运行其他进程。鉴于进程上下文切换的开销也很大，因此，只有当进程占用资源时间较长时，用互斥体才是较好的选择。
当所要保护的临界区访问时间比较短时，用自旋锁是非常方便的，因为它可节省上下文切换的时间。但是CPU得不到自旋锁会在那里空转直到其他执行单元解锁为止，所以要求锁不能在临界区里长时间停留，否则会降低系统的效率。
由此，可以总结出自旋锁和互斥体选用的3项原则。
- 1）当锁不能被获取到时，使用互斥体的开销是进程上下文切换时间，使用自旋锁的开销是等待获取自旋锁（由临界区执行时间决定）。若临界区比较小，宜使用自旋锁，若临界区很大，应使用互斥体。
- 2）互斥体所保护的临界区可包含可能引起阻塞的代码，而自旋锁则绝对要避免用来保护包含这样代码的临界区。因为阻塞意味着要进行进程的切换，如果进程被切换出去后，另一个进程企图获取本自旋锁，死锁就会发生。
- 3）互斥体存在于进程上下文，因此，如果被保护的共享资源需要在中断或软中断情况下使用，则在互斥体和自旋锁之间只能选择自旋锁。当然，如果一定要使用互斥体，则只能通过mutex_trylock（）方式进行，不能获取就立即返回以避免阻塞。(防止中断信号打不断睡眠造成了死锁)
完成量
Linux提供了完成量（Completion，关于这个名词，至今没有好的翻译，笔者将其译为“完成量”），它用于一个执行单元等待另一个执行单元执行完某事。
Linux中与完成量相关的操作主要有以下4种。
- 1.定义完成量
下列代码定义名为my_completion的完成量：
struct completion my_completion;
- 2.初始化完成量
下列代码初始化或者重新初始化my_completion这个完成量的值为0（即没有完成的状态）：
init_completion(&my_completion); reinit_completion(&my_completion)
- 3.等待完成量
下列函数用于等待一个完成量被唤醒：
void wait_for_completion(struct completion *c);
- 4.唤醒完成量
下面两个函数用于唤醒完成量：
void complete(struct completion *c); void complete_all(struct completion *c);
前者只唤醒一个等待的执行单元，后者释放所有等待同一完成量的执行单元。
完成量用于同步的流程一般如下：
