关键词：Semaphore、down()/up()。
1. 信号量数据结构
数据机构struct semaphore用于描述信号量。
/* Please don't access any members of this structure directly */
struct semaphore {
raw_spinlock_t lock;-----------------------------spinlock变量，用于对信号量数据结构里count和wait_list成员的保护。
unsigned int count;------------------------------用于表示允许进入临界区的内核执行路径个数。
struct list_head wait_list;--------------------------用于管理所有在该信号量上睡眠的进程，没有成功获取锁的进程会睡眠在这个链表上。
};
数据结构struct semaphore_waiter用于描述将在信号量等待队列山等待的进程。
struct semaphore_waiter { struct list_head list;---------------------------------链表项 struct task_struct *task;------------------------------将要放到信号量等待队列上的进程结构 bool up; };
2. 信号量的初始化
信号量的初始化有两种，一种是通过sema_init()动态初始化一个信号量，另一种是通过DEFINE_SEMAPHORE()静态定义一个信号量。
这两者都通过__SEMAPHORE_INITIALIZER()完成初始化工作。区别是sema_init()提供了lockdep调试跟踪，而且sema_init()可以指定持锁路径个数；而DEFINE_SEMAPHORE()默认为1。
#define __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, n) { .lock = __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED((name).lock), .count = n, .wait_list = LIST_HEAD_INIT((name).wait_list), } #define DEFINE_SEMAPHORE(name) struct semaphore name = __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, 1)---------------和sema_init()区别在于此处只有1. 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); }
3. down()/up()
信号量的使用较简单，down_xxx()持有信号量，up()释放信号量。
down()有很多变种，基本上遵循一致的规则：首先判断sem->count是否大于0，如果大于0，则sem->count--；否则调用__down_xxx()函数。
__down_xxx()最终都会调用__down_common()函数，他们之间的区别就是参数不一样。
| down()变种 | flag | timeout | 说明 |
| down() | TASK_UNINTERRUPTIBLE | MAX_SCHEDULE_TIMEOUT | 争用信号量失败时进入不可中断的睡眠状态。 |
| down_interruptible() | TASK_INTERRUPTIBLE | MAX_SCHEDULE_TIMEOUT | 争用信号量失败时进入可中断的睡眠状态。 |
| down_killable() | TASK_KILLABLE | MAX_SCHEDULE_TIMEOUT | 争用信号量失败时进入不可中断睡眠状态，但是在收到致命信号时唤醒睡眠进程。 |
| down_timeout() | TASK_UNINTERRUPTIBLE | timeout | 争用信号量失败时进入不可中断的睡眠状态，超时则唤醒当前进程。 |
down_trylock()是个特例，并不会等待，只是单纯的去获取锁。返回0表示获取锁成功，返回1表示获取锁失败。
void down(struct semaphore *sem) { unsigned long flags; raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);-----------------获取spinlock并关本地中断来保护count数据。 if (likely(sem->count > 0))-------------------------------如果大于0则表明当前进程可以成功获取信号量。 sem->count--; else __down(sem);------------------------------------------获取失败，等待。 raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);------------恢复中断寄存器，打开本地中断，并释放spinlock。 } static noinline void __sched __down(struct semaphore *sem) { __down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT); } int down_interruptible(struct semaphore *sem) { unsigned long flags; int result = 0; raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags); if (likely(sem->count > 0)) sem->count--; else result = __down_interruptible(sem); raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags); return result; } static noinline int __sched __down_interruptible(struct semaphore *sem) { return __down_common(sem, TASK_INTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT); } int down_killable(struct semaphore *sem) { unsigned long flags; int result = 0; raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags); if (likely(sem->count > 0)) sem->count--; else result = __down_killable(sem); raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags); return result; } static noinline int __sched __down_killable(struct semaphore *sem) { return __down_common(sem, TASK_KILLABLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT); } int down_trylock(struct semaphore *sem) { unsigned long flags; int count; raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags); count = sem->count - 1; if (likely(count >= 0))-------------------------------判断当前sem->count的减1后是否大于等于0。如果小于0，则表示无法获取信号量；如果大于等于0，表示可以成功获取信号量，并更新sem->count的值。 sem->count = count; raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags); return (count < 0);-----------------------------------如果count<0，表示无法获取信号量；如果count<0不成立，则表示获取信号量失败。 } int down_timeout(struct semaphore *sem, long timeout) { unsigned long flags; int result = 0; raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags); if (likely(sem->count > 0)) sem->count--; else result = __down_timeout(sem, timeout); raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags); return result; } static noinline int __sched __down_timeout(struct semaphore *sem, long timeout) { return __down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, timeout); }
static inline int __sched __down_common(struct semaphore *sem, long state, long timeout) { struct task_struct *task = current;-------------------得到当前进程结构 struct semaphore_waiter waiter;-----------------------struct semaphore_waiter数据结构用于描述获取信号量失败的进程，每个进程会有一个semaphore_waiter数据结构，并把当前进程放到信号量sem的成员变量wait_list链表中。 list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);---------将waiter加入到信号量sem->waiter_list尾部 waiter.task = task;-----------------------------------waiter.task指向当前正在运行的进程。 waiter.up = false; for (;;) { if (signal_pending_state(state, task))------------根据不同state和当前信号pending情况，决定是否进入interrupted处理。 goto interrupted; if (unlikely(timeout <= 0))-----------------------timeout设置错误 goto timed_out; __set_task_state(task, state);--------------------设置当前进程task->state。 raw_spin_unlock_irq(&sem->lock);------------------下面即将睡眠，这里释放了spinlock锁，和down()中的获取spinlock锁对应。 timeout = schedule_timeout(timeout);--------------主动让出CPU，相当于当前进程睡眠。 raw_spin_lock_irq(&sem->lock);--------------------重新获取spinlock锁，在down()会重新释放锁。这里保证了schedule_timeout()不在spinlock环境中。 if (waiter.up)------------------------------------waiter.up为true时，说明睡眠在waiter_list队列中的进程被该信号量的up操作唤醒。 return 0; } timed_out: list_del(&waiter.list); return -ETIME; interrupted: list_del(&waiter.list); return -EINTR; }
static inline int signal_pending_state(long state, struct task_struct *p)
{
if (!(state & (TASK_INTERRUPTIBLE | TASK_WAKEKILL)))---------------------对于TASK_UNINTERRUPTIBLE，返回0，继续睡眠。TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_WAKEKILL则往下继续判断。
return 0;
if (!signal_pending(p))--------------------------------------------------TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_WAKEKILL情况，如果没有信号pending，则返回0，继续睡眠.
return 0;
return (state & TASK_INTERRUPTIBLE) || __fatal_signal_pending(p);--------如果是TASK_INTERRUPTIBLE或有SIGKILL信号未处理，则返回1，中断睡眠等待。
}
signed long __sched schedule_timeout(signed long timeout) { struct timer_list timer; unsigned long expire; switch (timeout) { case MAX_SCHEDULE_TIMEOUT: schedule();-------------------------------------------------------MAX_SCHEDULE_TIMEOUT并不设置一个具体的时间，仅是睡眠。 goto out; default: if (timeout < 0) { printk(KERN_ERR "schedule_timeout: wrong timeout " "value %lx ", timeout); dump_stack(); current->state = TASK_RUNNING; goto out; } } expire = timeout + jiffies; setup_timer_on_stack(&timer, process_timeout, (unsigned long)current); __mod_timer(&timer, expire, false, TIMER_NOT_PINNED);----------------这时一个timer，超时函数为process_timeout()，超时后wake_up_process()唤醒当前进程current。 schedule(); del_singleshot_timer_sync(&timer);-----------------------------------删除timer /* Remove the timer from the object tracker */ destroy_timer_on_stack(&timer);--------------------------------------销毁timer timeout = expire - jiffies;------------------------------------------还剩多少jiffies达到超时点。 out: return timeout < 0 ? 0 : timeout;------------------------------------timeout<0表示已超过超时点；timeout>0表示提前了timeout个jiffies唤醒了。 }
void up(struct semaphore *sem) { unsigned long flags; raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags); if (likely(list_empty(&sem->wait_list)))---------------------------如果信号量上的等待队列sem->wait_list为空，说明没有进程在等待该信号来那个，那么直接sem->count加1。 sem->count++; else __up(sem);-----------------------------------------------------如果不为空，说明有进程在等待队列里睡眠，调用__up()唤醒。 raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags); } 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);--------------------------------------------将waiter从信号量等待队列列表删除。 waiter->up = true;--------------------------------------------------修改该信号量等待队列上waiter->up变量。 wake_up_process(waiter->task);--------------------------------------唤醒该信号量等待队列上的进程。 } int wake_up_process(struct task_struct *p) { WARN_ON(task_is_stopped_or_traced(p)); return try_to_wake_up(p, TASK_NORMAL, 0); }
4. 信号量和spinlock的对比
spinlock临界区不允许睡眠，是一种忙等待；信号量允许进程进入睡眠状态。
spinlock同一时刻只能被一个内核代码路径持有；信号量可以同时允许任意数量的持有者。
spinlock适用于一些快速完成的简单场景；信号量适用于一些情况复杂、加锁时间较长的应用场景。