Linux中信号量源码的分析

如果一个任务获取信号量失败,该任务就必须等待,直到其他任务释放信号量。本文的重点是,在Linux中,当有任务释放信号量之后,如何唤醒正在等待该信号量的任务。

信号量定义如下:

struct semaphore {
	raw_spinlock_t		lock;
	unsigned int		count;
	struct list_head	wait_list;
};

其中wait_list链表用于管理因没有成功获取信号量而处于睡眠状态的任务。

任务通过调用down()函数,尝试获取信号量,如果获取信号量失败,调用__down()函数。__down()函数内部调用了__down_common函数。(事实上down()函数有多个变种,如down_interruptible,在获取信号量失败时调用__down_interruptible,__down_interruptible也会调用__down_common函数。不同的down()函数最终调用__down_common时传入不同的参数,以处理不同的获取信号量的情况)。

同时,整个down()函数使用sem->lock保护起来。

void down(struct semaphore *sem)
{
	unsigned long flags;

	raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
	if (likely(sem->count > 0))
		sem->count--;
	else
		__down(sem);
	raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}

static noinline void __sched __down(struct semaphore *sem)
{
	__down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);
}



下面是重点:__down_common函数如何使任务休眠,休眠中的任务如何被唤醒并获得信号量。

semaphore_waiter是一个关键的数据结构,代表一个获取信号量失败,正在等待的任务。up字段标识了该任务是否是被该信号量唤醒,也就是休眠中的任务收到某种信号被唤醒之后,判断是否是被等待中的信号量唤醒的。

struct semaphore_waiter {
	struct list_head list;
	struct task_struct *task;
	bool up;
};

__down_common函数首先初始化了一个semaphore_waiter。task字段标识当前任务,up设置为false。

static inline int __sched __down_common(struct semaphore *sem, long state,
								long timeout)
{
	struct semaphore_waiter waiter;

	list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
	waiter.task = current;
	waiter.up = false;
...

然后休眠当前任务,调用 schedule_timeout()主动让出 CPU。上文提到整个函数都是在sem->lock的临界区中,但是在自旋锁的临界区是不可以休眠的,所以这里实际上在休眠之前释放了锁,被唤醒之后再重新获得锁。
当任务被唤醒后,如果waiter.up是否为真,则该任务可以获得信号量。waiter.up是必须要判断的,取决于__set_current_state()函数传入的参数不同,任务可能处于不同的休眠状态,可能被不同的信号唤醒,而未必是被等待的信号唤醒。

	for (;;) {
		if (signal_pending_state(state, current))
			goto interrupted;
		if (unlikely(timeout <= 0))
			goto timed_out;
		__set_current_state(state);
		raw_spin_unlock_irq(&sem->lock);
		timeout = schedule_timeout(timeout);
		raw_spin_lock_irq(&sem->lock);
		if (waiter.up)
			return 0;
	}

 timed_out:
	list_del(&waiter.list);
	return -ETIME;

 interrupted:
	list_del(&waiter.list);
	return -EINTR;
}

当一个任务释放信号量时,如果信号量的等待队列中存在任务,则将队列中的第一个任务的 up标记为true,并唤醒,同时从等待队列中删除。
同时,只有在等待队列为空的情况下,才会更新sem->count,确保了等待队列中的任务优先于新来的任务获得信号量,保证了严格的先进先出,不会因为新来的任务导致等待队列中的任务饥饿。

void up(struct semaphore *sem)
{
	unsigned long flags;

	raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
	if (likely(list_empty(&sem->wait_list)))
		sem->count++;
	else
		__up(sem);
	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);
	waiter->up = true;
	wake_up_process(waiter->task);
}

任务被唤醒之后,检测到up为true,返回0,成功获得信号量。

posted @ 2022-04-18 15:54  vptvpt  阅读(230)  评论(2编辑  收藏  举报