linux内核信号量和互斥锁使用教程

信号量概念

Linux 内核的信号量在概念和原理上与用户态的 System V 的 IPC 机制信号量是一样的，但是它绝不可能在内核之外使用，因此它与 System V 的 IPC 机制信号量毫不相干。
信号量在创建时需要设置一个初始值，表示同时可以有几个任务可以访问该信号量保护的共享资源，初始值为 1 就变成互斥锁（Mutex），即同时只能有一个任务可以访问信号量保护的共享资源。
一个任务要想访问共享资源，首先必须得到信号量，获取信号量的操作将把信号量的值减 1，若当前信号量的值为负数，表明无法获得信号量，该任务必须挂起在该信号量的等待队列等待该信号量可用；若当前信号量的值为非负数，表示可以获得信号量，因而可以立刻访问被该信号量保护的共享资源。
当任务访问完被信号量保护的共享资源后，必须释放信号量，释放信号量通过把信号量的值加 1 实现，如果信号量的值为非正数，表明有任务等待当前信号量，因此它也唤醒所有等待该信号量的任务。

内核信号量核心结构

内核中使用 struct semaphore 结构来描述一个信号量，结构定义如下：

<pre class="has">

struct semaphore {
raw_spinlock_t lock;
unsigned int count; //信号值，只要这个值为正数，则信号可用， 一般情况设置 0 或 1。
struct list_head wait_list;
};

  
  
  
  
### 信号量相关 API

  
  
  
  
  
DEFINE\_SEMAPHORE (name)

  
  
宏原型\#define DEFINE\_SEMAPHORE(name) \\  
 struct semaphore name = \_\_SEMAPHORE\_INITIALIZER(name, 1)宏功能该宏声明一个信号量 name 并初始化它的值为 1，即声明一个互斥锁宏参数name： 要定义的信号量变量名所在头文件include\\linux\\semaphore.h宏定义文件include\\linux\\semaphore.h备注Linux3.5 内核出现 在 linux 2.6 中名字为 DECLARE\_MUTEX(name)  
  
  
void sema\_init(struct semaphore \*sem, int val)

  
  
宏（函数） 原型  
  
  
void sema\_init(struct semaphore \*sem, int val)

  
  
宏功能该函数用于初始化一个互斥锁，即它把信号量 sem 的值设置为 1。宏参数sem： 要初始化的信号量的指针所在头文件include\\linux\\semaphore.h宏定义文件include\\linux\\semaphore.h备注   
  
  
void sema\_init (struct semaphore \*sem, int val);

  
  
宏原型void sema\_init (struct semaphore \*sem, int val);宏功能初始化设置信号量的初值，它设置信号量 sem 的值为 val宏参数sem： 要初始化的信号量的指针；  
 val: 信号量的值所在头文件include\\linux\\semaphore.h宏定义文件include\\linux\\semaphore.h  
  
  
定义、初始化信号量相关 API:这是一个静态定义方式。 定义一个名字为 name,信号量值为 1 的信号量结构变量。  
示例：  
struct semaphore sem;  
sema\_init(&sem, 1);  
以上两行等效：  
DEFINE\_SEMAPHORE(sem);

  
  
  
  
  
void down(struct semaphore \*sem)

  
  
函数原型void down(struct semaphore \* sem);函数功能用于获得信号量 sem，它会导致睡眠，因此不能在中断上下文（包括 IRQ 上下文和 softirq 上  
 下文）使用该函数。该函数将把 sem 的值减 1，如果信号量 sem 的值非负，就直接返回，否  
 则调用者将被挂起，直到别的任务释放该信号量才能继续运行。函数参数sem： 要初始化获取的信号量的指针；函数返回值无所在头文件include\\linux\\semaphore.h函数定义文件kernel\\semaphore.c  
  
  
int down\_timeout(struct semaphore \*sem, long jiffies);  
sem： 信号量结构指针  
jiffies： 要设置超时时间，单位是时钟节拍。  
阻塞地请求一个信号量,如果信号量大于 0， 则可以马上返回， 否则休眠，直到有其他进程释放信号量  
（把信号量的 count 修改为大于 0 的值） 或超时时间到。  
这个函数效果和 down 函数很像，它也是不可中断的休眠。

  
  
  
  
  
int down\_interruptible(struct semaphore \* sem);

  
  
函数原型int down\_interruptible(struct semaphore \* sem);函数功能该函数功能与 down 类似，不同之处为， down 不会被信号（signal）打断，但 down\_interruptible  
 能被信号打断，因此该函数有返回值来区分是正常返回还是被信号中断，如果返回 0，表示  
 获得信号量正常返回，如果被信号打断，返回-EINTR。函数参数sem： 要获取的信号量的指针；函数返回值0：得到信号量正常返回 ； 负数：被信号中断返回所在头文件include\\linux\\semaphore.h函数定义文件kernel\\semaphore.c  
  
  
int down\_trylock(struct semaphore \* sem);

  
  
函数原型int down\_trylock(struct semaphore \* sem);函数功能该函数试着获得信号量 sem，如果能够立刻获得，它就获得该信号量并返回 0，否则，表示  
 不能获得信号量 sem，返回值为非 0 值。因此，它不会导致调用者睡眠，可以在中断上下文  
 使用。函数参数sem： 要获取的信号量的指针；函数返回值0：得到信号量正常返回 ； 非 0：得不到信号量所在头文件include\\linux\\semaphore.h函数定义文件kernel\\semaphore.c  
  
  
void up(struct semaphore \* sem);

  
  
函数原型void up(struct semaphore \* sem);函数功能该函数释放信号量 sem，即把 sem 的值加 1，如果 sem 的值为非正数，表明有任务等待该信  
 号量，因此唤醒这些等待者。函数参数sem： 要初释放的信号量的指针；函数返回值无头文件include\\linux\\semaphore.h函数定义文件kernel\\semaphore.c  
  
  
虽然信号量可以设置为大于 1 的值，但是信号量在绝大部分情况下作为互斥锁使用。

  
  
  
  
  
  
  
- - - - - -

  
  
  
简单信号量使用例子实现设备只能被一个进程打开：

  
  
  
  
  

```cpp
#include  /* Needed by all modules */
#include  /* Needed for the module-macros */
#include 
#include 
#include 
#define LEDS_MAJOR 255
#define DEVICE_NAME "miscdev_semaphore"

DECLARE_MUTEX(lock); //定义一个互斥信号量，并初始化 1;

static int first_miscdev_open(struct inode *pinode, struct file *pfile)
{
printk (KERN_EMERG "Linux miscdevice:%s is call\r\n",__FUNCTION__);

/* 获取信号量 */
if (!down_trylock(&lock))
return 0;
else
return -EBUSY;
}

int first_miscdev_release (struct inode *inode, struct file *file)
{
printk (KERN_EMERG "Linux miscdevice:%s is call\r\n",__FUNCTION__);

up(&lock); //释放信号量
return 0;
}
static struct file_operations dev_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = first_miscdev_open,
.release= first_miscdev_release,
};
static struct miscdevice misc =
{
.minor = LEDS_MAJOR,
.name = DEVICE_NAME,
.fops = &dev_fops,
};
/* 模块装载执行函数 */
static int __init first_miscdev_init(void)
{
int ret;
ret = misc_register(&misc); //注册混杂设备
if(ret <0)
printk (KERN_EMERG DEVICE_NAME"\t err\r\n");
printk (KERN_EMERG DEVICE_NAME"\tinitialized\n");
return ret;
}

/* 模块卸载执行函数 */
static void __exit first_miscdev_exit(void)
{
misc_deregister(&misc);
printk(KERN_EMERG "Goodbye,cruel world!, priority = 0\n");
}
module_init(first_miscdev_init);
module_exit(first_miscdev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("XYD");
MODULE_DESCRIPTION("This the samlpe drv_test");
```

- - - - - -

  
  
  
  
互斥信号量
-----

  
  
  
  
  
  
### 互斥信号量概念：

  
  
  
  
  
互斥锁主要用于实现内核中的互斥访问功能。内核互斥锁是在原子 API 之上实现的，但这对于内核用户是不可见的。 在大部分场合中，对共享资源的访问，都是使用独占方式， 在这种情况下， 提供专门的互斥接口给编程者使用。 对它的访问必须遵循一些规则：同一时间只能有一个任务持有互斥锁，而且只有这个任务可以对互斥锁进行解锁。互斥锁不能进行递归锁定或解锁。一个互斥锁对象必须通过其 API 初始化，而不能使用 memset 或复制初始化。一个任务在持有互斥锁的时候是不能结束的。互斥锁所使用的内存区域是不能被释放的。使用中的互斥锁是不能被重新初始化的。并且互斥锁不能用于中断上下文。但是互斥锁比当前的内核信号量选项更快，并且更加紧凑，因此如果它们满足您的需求，那么它们将是您明智的选择。

  
  
  
  
  
  
### 内核信号量核心结构

  
  
  
  
  
内核中使用 struct mutex 结构来描述一个信号量，结构定义如下：

  
  
  
  
  
```
```cpp
struct mutex {
/* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */
atomic_t count;
spinlock_t wait_lock;
struct list_head wait_list;
#if defined(CONFIG_DEBUG_MUTEXES) || defined(CONFIG_SMP)
struct task_struct *owner;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
const char *name;
void *magic;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
struct lockdep_map dep_map;
#endif
};
```

  
  
  
关键成员说明：  
atomic\_t count：  
指示互斥锁的状态：  
1--没有上锁，可以获得  
0--被锁定，不能获得  
负数--被锁定，且可能在该锁上有等待进程  
初始化时为没有上锁状态。

  
  
  
  
  
  
spinlock\_t wait\_lock：  
等待获取互斥锁中使用的自旋锁。在获取互斥锁的过程中，操作会在自旋锁的保护中进行。初始化为为  
锁定， 用户一般无需关心。

  
  
  
  
  
struct list\_head wait\_list：  
等待互斥锁的进程队列， 用户无需关心。

  
  
  
  
  
  
### 互斥信号量相关 API

  
  
  
  
  
  
### DEFINE\_MUTEX(mutexname)

  
  
宏原型\#define DEFINE\_MUTEX(mutexname) \\  
 struct mutex mutexname = \_\_MUTEX\_INITIALIZER(mutexname)宏功能该宏声明一个互斥信号量 name 并初始化它宏参数name： 要定义的互斥信号量变量名所在头文件include\\linux\\mutex.h备注linux3.5出现  
  
  
  
### mutex\_init(mutex)

  
  
宏原型\# define mutex\_init(mutex) \\  
 do { \\  
 static struct lock\_class\_key \_\_key; \\  
 \_\_mutex\_init((mutex), #mutex, &\_\_key); \\  
 } while (0)宏功能该宏初始化一个已经定义的互斥信号量， metex 传递的是指针宏参数mutex： 初始化的的互斥信号量指针所在头文件include\\linux\\mutex.h宏定义文件include\\linux\\mutex.h  
  
  
  
### int mutex\_is\_locked(struct mutex \*lock)

  
  
宏原型int mutex\_is\_locked(struct mutex \*lock)宏功能该函数检测互斥锁是否已经被锁定，宏参数lock： 互斥锁变量是指针返回值1 ： 已经锁定 0： 没有锁定所在头文件include\\linux\\mutex.h  
  
  
  
### mutex\_lock(lock) 或 void mutex\_lock(struct mutex \*lock);

  
  
宏（函数） 原型mutex\_lock(lock)  
 或  
 void mutex\_lock(struct mutex \*lock);宏功能该宏（函数） 获取互斥锁是否， 如没有得到会休眠，直接得到为止宏参数lock： 互斥锁变量是指针返回值无所在头文件include\\linux\\mutex.h宏定义文件include\\linux\\mutex.h备注根据内核配置不同，该功能有有宏版本和函数版本  
  
  
  
### mutex\_lock\_interruptible(lock) 或 int mutex\_lock\_interruptible(struct mutex \*lock);

  
  
宏原型\#define mutex\_lock\_interruptible(lock) mutex\_lock\_interruptible\_nested(lock, 0)  
 或  
 int \_\_must\_check mutex\_lock\_interruptible(struct mutex \*lock);宏功能该宏（函数）获取互斥锁是否， 如没有得到会休眠，直接得到为止， 但是可以被信号中断宏参数lock： 互斥锁变量是指针返回值成功获得锁返回 0， 被信号中断返回-EINIR所在头文件include\\linux\\mutex.h宏定义文件include\\linux\\mutex.h备注根据内核配置不同，该功能有有宏版本和函数版本  
  
  
  
### int mutex\_trylock(struct mutex \*lock);

  
  
宏原型int mutex\_trylock(struct mutex \*lock);宏功能该函数是获取互斥锁， 如没有得到不会休眠，马上返回宏参数lock： 互斥锁变量是指针返回值无所在头文件include\\linux\\mutex.h宏定义文件include\\linux\\mutex.c备注根据内核配置不同，该功能有有宏版本和函数版本  
  
  
  
### void mutex\_unlock(struct mutex \*lock);

  
  
宏原型void mutex\_unlock(struct mutex \*lock);宏功能该函数是释放互斥锁宏参数lock： 互斥锁变量是指针返回值无所在头文件include\\linux\\mutex.h宏定义文件include\\linux\\mutex.c  
  
  
  
### 互斥锁应用例子：

  
  
  
  
  
```
```cpp
/* chardev.c */
#include        /* Needed by all modules */
#include               /* Needed for the module-macros */
#include 
#include 
#include        /* 自动创建设备文件 */
#include 
#include                 /*ioremap*/
#include        /*copy_from_user ,copy_to_user*/
#include 
#include 

#include 
#include 
#include   /* s3c_gpio_cfgpin  S3C_GPIO_OUTPUT */
static struct cdev *pcdev;
static struct device *this_device = NULL;
static struct class *leds_class = NULL;

/* 是否开启 gpio_request 函数功能 */
#define GPIO_REQUEST          1     //0 :关,非0 :开 

static int led_gpios[] = {
  EXYNOS4X12_GPM4(0),
  EXYNOS4X12_GPM4(1),
  EXYNOS4X12_GPM4(2),
  EXYNOS4X12_GPM4(3),
};

#define LED_NUM     ARRAY_SIZE(led_gpios)
#define   DEV_NAME   "myleds"
unsigned int major  = 0;                    //主设备号
unsigned int minor = 0;                   //次设备号

unsigned int devnr = 0;                    //设备号
char *chrdev_name = DEV_NAME;  //设备名
module_param(major, int, S_IRUGO | S_IWUSR);
module_param(minor, int, S_IRUGO | S_IWUSR);
module_param(chrdev_name, charp, S_IRUGO | S_IWUSR);


struct mutex lock;

//打开设备时候执行的程序
static int  chrdev_open(struct inode *pinode, struct file *pfile)
{
   mutex_lock(&lock);

  printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n", __LINE__, __FUNCTION__);
  return 0;
}

//关闭设备时执行的程序
static int chrdev_release(struct inode *pinode, struct file *pfile)
{
   mutex_unlock(&lock);
  printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n", __LINE__, __FUNCTION__);
  return 0;
}



//读接口函数
static ssize_t chrdev_read ( struct file *file,
                             char __user *buf,
                             size_t count,
                             loff_t * f_pos )
{
  char led_buffer[4] = {2, 2, 2, 2};
  int i = 0;
  //  printk ( KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n", __LINE__, __FUNCTION__ );

  /* count ==0 ,则返回0，不是错误 */
  if ( !count ) {
    return 0;
  }

  /* 当前已经到文件末尾，不能再写，返回0,*/
  if ( count > LED_NUM ) {
    count =  LED_NUM;
  }


  /* 准备数据，0表示灭，1表示亮 */
  for (i = 0; i < LED_NUM; i++) {
    led_buffer[i] = !gpio_get_value(led_gpios[i]);
  }

  if ( copy_to_user ( buf, &led_buffer[0], count ) ) {
    return -EFAULT;
  }

  return count;
}



//写接口函数
static ssize_t chrdev_write(struct file *pfile,
                            const char __user *user_buf,
                            size_t count,
                            loff_t *off)
{
  int ret = 0;
  char buf[LED_NUM] = {0};
  int i = 0;
  // printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n", __LINE__, __FUNCTION__);
  //应用程序传递count=0下来，并不是错误，应该返回0
  if(count == 0) {
    return 0;
  }

  //因为板子只有4个灯，所以防止用户程序恶意破坏系统。
  if(count > LED_NUM) {
    count = LED_NUM;
  }

  //把用户空间传递下来的数据复制到内核空间的buf数组中
  ret = copy_from_user(buf, user_buf, count); //返回，成功是0，其他是失败
  if(ret) { //如果复制失败返回-1;
    return -EFAULT;
  }

  for(i = 0; i < count; i++) {
    if(buf[i] == 1)
      //                  GPM4DAT &= ~(1 << (0 + i));/* 亮 */

    {
      gpio_set_value(led_gpios[i], 0);
    }

    else if(buf[i] == 0)
      //                  rGPM4DAT |=  (1 << (0 + i));/* 灭 */
    {
      gpio_set_value(led_gpios[i], 1);
    }

  }

  count  = 1;


  return count;
}



//文件操作方法：
static const  struct file_operations chrdev_fops = {
  .read      = chrdev_read,
  .write     = chrdev_write,
  .release  = chrdev_release,
  .open     = chrdev_open,
};



static int __init chrdev_init(void)
{

  int ret = 0;
  int i;

  /* IO口配置代码 */
  for (i = 0; i < LED_NUM; i++) {
#if GPIO_REQUEST
    ret = gpio_request(led_gpios[i], "LED");
    if (ret) {
      printk("%s: request GPIO %d for LED failed, ret = %d\n",
             chrdev_name, led_gpios[i], ret);
      goto gpio_request_err;
    }
#endif

    //s3c_gpio_cfgpin(led_gpios[i], S3C_GPIO_OUTPUT);
    //gpio_set_value(led_gpios[i], 1);
    //gpio_direction_output等效于上面两条语句,
    gpio_direction_output(led_gpios[i], 1);

  }

  //分配cdev核心结构;
  pcdev = cdev_alloc();
  if (pcdev == NULL) {
    ret = -ENOMEM;
    printk(KERN_EMERG"cdev_alloc_err error\n");
    goto cdev_alloc_err;
  }

  //如果主设备号是0,则动态分配设备号
  if(!major) {
    ret  = alloc_chrdev_region(&devnr, minor, 1, chrdev_name);
    if(ret < 0) {
      printk(KERN_EMERG"alloc_chrdev_region error\n");
      goto devnr_requst_err;
    }

  } else {

    //合成设备号
    devnr =  MKDEV(major, minor);

    //静态注册设备号
    ret = register_chrdev_region(devnr, 1, chrdev_name);
    if(ret != 0) {
      printk(KERN_EMERG"register_chrdev_region error\n");
      goto devnr_requst_err;
    }
  }

  //cdev结构体初始化
  cdev_init(pcdev, &chrdev_fops);

  //注册字符设备
  ret = cdev_add(pcdev, devnr, 1);
  if ( ret < 0) {
    printk(KERN_EMERG"cdev_add error\n");
    goto cdev_add_err;
  }

  //输出字符设备主设备号和次设备号
  printk(KERN_EMERG "name:%s,major:%d,minor:%d\n",
         chrdev_name, MAJOR(devnr), MINOR(devnr));

  //创建一个类
  leds_class =   class_create(THIS_MODULE, "leds_class");
  if ( IS_ERR(leds_class) ) {
    ret = PTR_ERR(leds_class);
    printk(KERN_EMERG"class_create error\n");
    goto class_create_err;
  }

  //创建一个设备
  this_device = device_create(leds_class, NULL, devnr, NULL, "%s", chrdev_name);
  if ( IS_ERR(this_device) ) {
    ret = PTR_ERR(this_device);
    printk(KERN_EMERG"this_device error\n");
    goto device_create_err;
  }

  mutex_init(&lock);
  return 0;

device_create_err:
  class_destroy(leds_class);
class_create_err:
  unregister_chrdev(major, chrdev_name);
cdev_add_err:
devnr_requst_err:
  if (pcdev) {
    cdev_del(pcdev);
  }
  unregister_chrdev_region(devnr, 1);
cdev_alloc_err:

#if GPIO_REQUEST
gpio_request_err:
  /* gpio 反向释放 */
  for ( --i ; i >= 0 ; i-- ) {
    gpio_free(led_gpios[i]);
  }
#endif

  return ret;
}

static void  __exit chrdev_exit(void)
{
  int i = 0;
  device_destroy(leds_class, devnr);
  class_destroy(leds_class);

  /* gpio 反向释放 */
  for (   ; i < 4 ; i++) {
    gpio_free(led_gpios[i]);
  }

  cdev_del(pcdev);
  unregister_chrdev_region(devnr, 1);
  printk(KERN_EMERG "Goodbye,chrdev\n");
}
module_init(chrdev_init);
module_exit(chrdev_exit);

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
MODULE_AUTHOR("learn");                //optional
MODULE_DESCRIPTION("STUDY_MODULE"); //optional
```

  
  
  
  
###