简介

Linux里的信号量是一种睡眠锁，调用者试图获得一个已被占用的信号量时，信号量会将其推入一个等待队列，让其睡眠。当该信号量被释放后，等待队列中的任务会被唤醒，获得该信号量。

信号量与自旋锁在使用上的差异

1. 信号量适用于锁会被长时间占用的情况；
2. 锁被短时间占用时不适合使用信号量，因为睡眠、维护等待队列以及唤醒所花费的开销可能比锁占用的时间还长；
3. 因为执行线程在锁被争用时会睡眠，所以只能在进程上下文中才能获取信号量（因为中断上下文不能进行调度）。
4. 持有信号量时可以进入睡眠，不会造成死锁，因为其他进程试图获得失败时只是会进入睡眠，最终还是会执行；
5. 占用信号量时不能同时占用自旋锁，因为可能会进入睡眠，如果占用自旋锁，可能会导致死锁，持有自旋锁是不允许睡眠的；

实例

以内核mmc驱动为例看看信号量如何使用，源文件driver/mmc/card/queue.c

int mmc_init_queue(struct mmc_queue *mq, struct mmc_card *card,
		   spinlock_t *lock, const char *subname)
{
    /* 省略··· */
    sema_init(&mq->thread_sem, 1);
    /* 省略··· */
}
// sema_init(struct semaphore, int); 以指定计数值都初始化动态创建信号量

mmc队列初始化时初始化了一个信号量，该信号量值初始化为1，也叫互斥信号量。

void mmc_queue_suspend(struct mmc_queue *mq)
{
	struct request_queue *q = mq->queue;
	unsigned long flags;
	if (!(mq->flags & MMC_QUEUE_SUSPENDED)) {
		mq->flags |= MMC_QUEUE_SUSPENDED;
		spin_lock_irqsave(q->queue_lock, flags);
		blk_stop_queue(q);
		spin_unlock_irqrestore(q->queue_lock, flags);
		down(&mq->thread_sem);
	}
}
/**
 * mmc_queue_resume - resume a previously suspended MMC request queue
 * @mq: MMC queue to resume
 */
void mmc_queue_resume(struct mmc_queue *mq)
{
	struct request_queue *q = mq->queue;
	unsigned long flags;
	if (mq->flags & MMC_QUEUE_SUSPENDED) {
		mq->flags &= ~MMC_QUEUE_SUSPENDED;
		up(&mq->thread_sem);
		spin_lock_irqsave(q->queue_lock, flags);
		blk_start_queue(q);
		spin_unlock_irqrestore(q->queue_lock, flags);
	}
}

在mmc queue休眠唤醒函数会调用到down和up函数，其中：

// 尝试获取信号量，如果信号量已被占用，则进入不可中断睡眠状态
down(struct semaphore *) 
// 释放信号量，如果睡眠队列不为空，则唤醒其中一个任务
up(struct semaphore *)

static int mmc_queue_thread(void *d)
{
	struct mmc_queue *mq = d;
	struct request_queue *q = mq->queue;
	current->flags |= PF_MEMALLOC;
	down(&mq->thread_sem);
	do {
		struct request *req = NULL;
		unsigned int cmd_flags = 0;
		spin_lock_irq(q->queue_lock);
		set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
		req = blk_fetch_request(q);
		mq->mqrq_cur->req = req;
		spin_unlock_irq(q->queue_lock);
		if (req || mq->mqrq_prev->req) {
			set_current_state(TASK_RUNNING);
			cmd_flags = req ? req->cmd_flags : 0;
			mq->issue_fn(mq, req);
			cond_resched();
			if (mq->flags & MMC_QUEUE_NEW_REQUEST) {
				mq->flags &= ~MMC_QUEUE_NEW_REQUEST;
				continue; /* fetch again */
			}
			/*
			 * Current request becomes previous request
			 * and vice versa.
			 * In case of special requests, current request
			 * has been finished. Do not assign it to previous
			 * request.
			 */
			if (cmd_flags & MMC_REQ_SPECIAL_MASK)
				mq->mqrq_cur->req = NULL;
			mq->mqrq_prev->brq.mrq.data = NULL;
			mq->mqrq_prev->req = NULL;
			swap(mq->mqrq_prev, mq->mqrq_cur);
		} else {
			if (kthread_should_stop()) {
				set_current_state(TASK_RUNNING);
				break;
			}
			up(&mq->thread_sem);
			schedule();
			down(&mq->thread_sem);
		}
	} while (1);
	up(&mq->thread_sem);
	return 0;
}

留意前面初始化信号量时，初值设为1，这个叫互斥信号量，即在一个时刻仅允许一个锁持有者，与自旋锁一样。也可以初始化为大于1的非0值，这种我们称之为计数信号量，它允许在一个时刻有多个锁持有者，允许多个执行线程访问临界区，但是这个使用情况较少。

PS：号主是一名芯片原厂的Linux驱动开发工程师，深入操作系统的世界，贯彻终身学习、终身成长的理念。平时喜欢折腾，寒冬之下，抱团取暖，期待你来一起探讨技术、搞自媒体副业，程序员接单和投资理财。【对了，不定期送闲置开发板、书籍、键盘等等】。

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