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Linux设备驱动之semaphore机制【转】

简介:

转自:http://blog.csdn.net/xiao229404041/article/details/7031776

 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。







本文转自张昺华-sky博客园博客,原文链接:http://www.cnblogs.com/sky-heaven/p/5710844.html,如需转载请自行联系原作者


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