linux内核中的信号量和互斥量（22）

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信号量与互斥量在Linux内核中的作用与实现

信号量（Semaphore）是操作系统用于同步和互斥的经典手段，其值可表示为0、1或n，与经典PV操作相对应。

信号量的操作包括：

1. P（S）：将信号量S值减1，若S≥0，则进程继续执行，否则该进程进入等待状态。

2. V（S）：将信号量S值加1，若S>0，则唤醒等待S的进程。

Linux内核中信号量操作主要包含定义、初始化、获取与释放四个步骤：

1. 定义信号量：使用struct semaphore sem;。

2. 初始化信号量：使用sema_init(struct semaphore *sem, int val);设置信号量值。

3. 获取信号量：down(struct semaphore *sem)用于等待获得信号量，不能在中断上下文中使用。

4. 释放信号量：up(struct semaphore *sem)用于释放信号量。

信号量作为互斥手段时，进程仅在获得信号量后才能执行临界区代码。获取不到信号量时，进程进入休眠等待状态，与自旋锁不同。信号量用于互斥的典型使用方法如下：

然而，新的Linux内核更推荐使用mutex作为互斥手段。互斥量（Mutex）是Linux内核中“正宗”的互斥体。

互斥体定义与初始化的代码示例：

获取互斥体的方法包括：

1. mutex_lock（）与mutex_lock_interruptible（），区别在于前者睡眠不能被信号打断，后者可以。

2. mutex_trylock（）用于尝试获取互斥体，获取不到时不引起进程睡眠。

互斥体的释放方法为：

1. mutex_unlock(struct mutex *lock);

互斥体的使用方式与信号量用于互斥的场合一致。

选择自旋锁或互斥体的依据是临界区的性质和系统特点。两者在实现层次上有差异，互斥体依赖于自旋锁。自旋锁用于低级互斥，互斥体用于进程级互斥。互斥体适用于长时间占用资源的场景，而自旋锁适用于临界区较短的情况。此外，互斥体保护的临界区不宜包含可能引起阻塞的代码，以避免进程上下文切换导致的死锁。选择自旋锁还是互斥体的原则如下：

1. 若锁不能获取，互斥体的开销为进程上下文切换，自旋锁的开销为等待获取。临界区较小时，优选自旋锁；临界区较大时，选择互斥体。

2. 互斥体的临界区可以包含阻塞代码，而自旋锁的临界区应避免阻塞代码以防止死锁。

3. 如果保护的共享资源需要在中断或软中断环境下使用，只能选择自旋锁，或者使用mutex_trylock（）避免阻塞。