互斥量信號量linux

㈠ linux內核同步問題

Linux內核設計與實現 十、內核同步方法

手把手教Linux驅動5-自旋鎖、信號量、互斥體概述

== 基礎概念： ==

並發 ：多個執行單元同時進行或多個執行單元微觀串列執行，宏觀並行執行

競態 ：並發的執行單元對共享資源（硬體資源和軟體上的全局變數）的訪問而導致的竟態狀態。

臨界資源 ：多個進程訪問的資源

臨界區 ：多個進程訪問的代碼段

== 並發場合： ==

1、單CPU之間進程間的並發 :時間片輪轉，調度進程。 A進程訪問列印機，時間片用完，OS調度B進程訪問列印機。

2、單cpu上進程和中斷之間並發 ：CPU必須停止當前進程的執行中斷;

3、多cpu之間

4、單CPU上中斷之間的並發

== 使用偏向： ==

==信號量用於進程之間的同步，進程在信號量保護的臨界區代碼裡面是可以睡眠的（需要進行進程調度），這是與自旋鎖最大的區別。==

信號量又稱為信號燈，它是用來協調不同進程間的數據對象的，而最主要的應用是共享內存方式的進程間通信。本質上，信號量是一個計數器，它用來記錄對某個資源（如共享內存）的存取狀況。它負責協調各個進程，以保證他們能夠正確、合理的使用公共資源。它和spin lock最大的不同之處就是：無法獲取信號量的進程可以睡眠，因此會導致系統調度。

1、==用於進程與進程之間的同步==

2、==允許多個進程進入臨界區代碼執行，臨界區代碼允許睡眠；==

3、信號量本質是==基於調度器的==，在UP和SMP下沒有區別；進程獲取不到信號量將陷入休眠，並讓出CPU；

4、不支持進程和中斷之間的同步

5、==進程調度也是會消耗系統資源的，如果一個int型共享變數就需要使用信號量，將極大的浪費系統資源==

6、信號量可以用於多個線程，用於資源的計數（有多種狀態）

==信號量加鎖以及解鎖過程：==

sema_init(&sp->dead_sem, 0); / 初始化 /

down(&sema);

臨界區代碼

up(&sema);

==信號量定義：==

==信號量初始化：==

==dowm函數實現：==

==up函數實現：==

信號量一般可以用來標記可用資源的個數。

舉2個生活中的例子：

==dowm函數實現原理解析：==

（1）down

判斷sem->count是否 > 0，大於0則說明系統資源夠用，分配一個給該進程，否則進入__down(sem);

（2）__down

調用__down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);其中TASK_UNINTERRUPTIBLE=2代表進入睡眠，且不可以打斷；MAX_SCHEDULE_TIMEOUT休眠最長LONG_MAX時間；

（3）list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);

把當前進程加入到sem->wait_list中；

（3）先解鎖後加鎖;

進入__down_common前已經加鎖了，先把解鎖，調用schele_timeout(timeout)，當waiter.up=1後跳出for循環；退出函數之前再加鎖；

Linux內核ARM構架中原子變數的底層實現研究

rk3288 原子操作和原子位操作

原子變數適用於只共享一個int型變數；

1、原子操作是指不被打斷的操作，即它是最小的執行單位。

2、最簡單的原子操作就是一條條的匯編指令(不包括一些偽指令，偽指令會被匯編器解釋成多條匯編指令)

==常見函數：==

==以atomic_inc為例介紹實現過程==

在Linux內核文件archarmincludeasmatomic.h中。 執行atomic_read、atomic_set這些操作都只需要一條匯編指令，所以它們本身就是不可打斷的。 需要特別研究的是atomic_inc、atomic_dec這類讀出、修改、寫回的函數。

所以atomic_add的原型是下面這個宏：

atomic_add等效於：

result（%0） tmp（%1） (v->counter)（%2） (&v->counter)（%3） i（%4）

注意：根據內聯匯編的語法，result、tmp、&v->counter對應的數據都放在了寄存器中操作。如果出現上下文切換，切換機制會做寄存器上下文保護。

（1）ldrex %0, [%3]

意思是將&v->counter指向的數據放入result中，並且（分別在Local monitor和Global monitor中）設置獨占標志。

（2）add %0, %0, %4

result = result + i

（3）strex %1, %0, [%3]

意思是將result保存到&v->counter指向的內存中， 此時 Exclusive monitors會發揮作用，將保存是否成功的標志放入tmp中。

（4） teq %1, #0

測試strex是否成功（tmp == 0 ？？）

（5）bne 1b

如果發現strex失敗，從（1）再次執行。

Spinlock 是內核中提供的一種比較常見的鎖機制，==自旋鎖是「原地等待」的方式解決資源沖突的==，即，一個線程獲取了一個自旋鎖後，另外一個線程期望獲取該自旋鎖，獲取不到，只能夠原地「打轉」（忙等待）。由於自旋鎖的這個忙等待的特性，註定了它使用場景上的限制 —— 自旋鎖不應該被長時間的持有（消耗 CPU 資源），一般應用在==中斷上下文==。

1、spinlock是一種死等機制

2、信號量可以允許多個執行單元進入，spinlock不行，一次只能允許一個執行單元獲取鎖，並且進入臨界區，其他執行單元都是在門口不斷的死等

3、由於不休眠，因此spinlock可以應用在中斷上下文中；

4、由於spinlock死等的特性，因此臨界區執行代碼盡可能的短；

==spinlock加鎖以及解鎖過程：==

spin_lock(&devices_lock);

臨界區代碼

spin_unlock(&devices_lock);

==spinlock初始化==

==進程和進程之間同步==

==本地軟中斷之間同步==

==本地硬中斷之間同步==

==本地硬中斷之間同步並且保存本地中斷狀態==

==嘗試獲取鎖==

== arch_spinlock_t結構體定義如下： ==

== arch_spin_lock的實現如下： ==

lockval（%0） newval（%1） tmp（%2） &lock->slock（%3） 1 << TICKET_SHIFT（%4）

（1）ldrex %0, [%3]

把lock->slock的值賦值給lockval；並且（分別在Local monitor和Global monitor中）設置獨占標志。

（2）add %1, %0, %4

newval =lockval +（1<<16）; 相當於next+1；

（3）strex %2, %1, [%3]

newval =lockval +（1<<16）; 相當於next+1；

意思是將newval保存到 &lock->slock指向的內存中， 此時 Exclusive monitors會發揮作用，將保存是否成功的標志放入tmp中。

（4） teq %2, #0

測試strex是否成功

（5）bne 1b

如果發現strex失敗，從（1）再次執行。

通過上面的分析，可知關鍵在於strex的操作是否成功的判斷上。而這個就歸功於ARM的Exclusive monitors和ldrex/strex指令的機制。

（6）while (lockval.tickets.next != lockval.tickets.owner)

如何lockval.tickets的next和owner是否相等。相同則跳出while循環，否則在循環內等待判斷；

* （7）wfe()和smp_mb() 最終調用#define barrier() asm volatile ("": : :"memory") *

阻止編譯器重排，保證編譯程序時在優化屏障之前的指令不會在優化屏障之後執行。

== arch_spin_unlock的實現如下： ==

退出鎖時：tickets.owner++

== 出現死鎖的情況： ==

1、擁有自旋鎖的進程A在內核態阻塞了，內核調度B進程，碰巧B進程也要獲得自旋鎖，此時B只能自旋轉。 而此時搶占已經關閉，（單核）不會調度A進程了，B永遠自旋，產生死鎖。

2、進程A擁有自旋鎖，中斷到來，CPU執行中斷函數，中斷處理函數，中斷處理函數需要獲得自旋鎖，訪問共享資源，此時無法獲得鎖，只能自旋，產生死鎖。

== 如何避免死鎖： ==

1、如果中斷處理函數中也要獲得自旋鎖，那麼驅動程序需要在擁有自旋鎖時禁止中斷；

2、自旋鎖必須在可能的最短時間內擁有

3、避免某個獲得鎖的函數調用其他同樣試圖獲取這個鎖的函數，否則代碼就會死鎖；不論是信號量還是自旋鎖，都不允許鎖擁有者第二次獲得這個鎖，如果試圖這么做，系統將掛起；

4、鎖的順序規則（a) 按同樣的順序獲得鎖；b) 如果必須獲得一個局部鎖和一個屬於內核更中心位置的鎖，則應該首先獲取自己的局部鎖 ;c) 如果我們擁有信號量和自旋鎖的組合，則必須首先獲得信號量；在擁有自旋鎖時調用down(可導致休眠)是個嚴重的錯誤的；）

== rw（read/write）spinlock： ==

加鎖邏輯：

1、假設臨界區內沒有任何的thread，這個時候任何的讀線程和寫線程都可以鍵入

2、假設臨界區內有一個讀線程，這時候信賴的read線程可以任意進入，但是寫線程不能進入；

3、假設臨界區有一個寫線程，這時候任何的讀、寫線程都不可以進入；

4、假設臨界區內有一個或者多個讀線程，寫線程不可以進入臨界區，但是寫線程也無法阻止後續的讀線程繼續進去，要等到臨界區所有的讀線程都結束了，才可以進入，可見：==rw（read/write）spinlock更加有利於讀線程；==

== seqlock（順序鎖）： ==

加鎖邏輯：

1、假設臨界區內沒有任何的thread，這個時候任何的讀線程和寫線程都可以鍵入

2、假設臨界區內沒有寫線程的情況下，read線程可以任意進入；

3、假設臨界區有一個寫線程，這時候任何的讀、寫線程都不可以進入；

4、假設臨界區內只有read線程的情況下，寫線程可以理解執行，不會等待，可見：==seqlock（順序鎖）更加有利於寫線程；==

讀寫速度 ： CPU > 一級緩存 > 二級緩存 > 內存 ，因此某一個CPU0的lock修改了，其他的CPU的lock就會失效；那麼其他CPU就會依次去L1 L2和主存中讀取lock值，一旦其他CPU去讀取了主存，就存在系統性能降低的風險；

mutex用於互斥操作。

互斥體只能用於一個線程，資源只有兩種狀態（佔用或者空閑）

1、mutex的語義相對於信號量要簡單輕便一些，在鎖爭用激烈的測試場景下，mutex比信號量執行速度更快，可擴展

性更好，

2、另外mutex數據結構的定義比信號量小;、

3、同一時刻只有一個線程可以持有mutex

4、不允許遞歸地加鎖和解鎖

5、當進程持有mutex時，進程不可以退出。

• mutex必須使用官方API來初始化。

• mutex可以睡眠，所以不允許在中斷處理程序或者中斷下半部中使用，例如tasklet、定時器等

==常見操作：==

struct mutex mutex_1;

mutex_init(&mutex_1);

mutex_lock(&mutex_1)

臨界區代碼；

mutex_unlock(&mutex_1)

==常見函數：==

=

㈡ Linux 多線程編程(二)2019-08-10

三種專門用於線程同步的機制:POSIX信號量,互斥量和條件變數.

在Linux上信號量API有兩組,一組是System V IPC信號量,即PV操作,另外就是POSIX信號量,POSIX信號量的名字都是以sem_開頭.

phshared參數指定信號量的類型,若其值為0,就表示這個信號量是當前進程的局部信號量,否則該信號量可以在多個進程之間共享.value值指定信號量的初始值,一般與下面的sem_wait函數相對應.

其中比較重要的函數sem_wait函數會以原子操作的方式將信號量的值減一,如果信號量的值為零,則sem_wait將會阻塞,信號量的值可以在sem_init函數中的value初始化;sem_trywait函數是sem_wait的非阻塞版本;sem_post函數將以原子的操作對信號量加一,當信號量的值大於0時,其他正在調用sem_wait等待信號量的線程將被喚醒.
這些函數成功時返回0,失敗則返回-1並設置errno.

生產者消費者模型:
生產者對應一個信號量:sem_t procer;
消費者對應一個信號量:sem_t customer;
sem_init(&procer,2)----生產者擁有資源,可以工作;
sem_init(&customer,0)----消費者沒有資源,阻塞;

在訪問公共資源前對互斥量設置（加鎖），確保同一時間只有一個線程訪問數據，在訪問完成後再釋放（解鎖）互斥量.
互斥鎖的運行方式:串列訪問共享資源;
信號量的運行方式:並行訪問共享資源;
互斥量用pthread_mutex_t數據類型表示，在使用互斥量之前，必須使用pthread_mutex_init函數對它進行初始化，注意，使用完畢後需調用pthread_mutex_destroy.

pthread_mutex_init用於初始化互斥鎖，mutexattr用於指定互斥鎖的屬性，若為NULL，則表示默認屬性。除了用這個函數初始化互斥所外，還可以用如下方式初始化：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER。
pthread_mutex_destroy用於銷毀互斥鎖，以釋放佔用的內核資源，銷毀一個已經加鎖的互斥鎖將導致不可預期的後果。

pthread_mutex_lock以原子操作給一個互斥鎖加鎖。如果目標互斥鎖已經被加鎖，則pthread_mutex_lock則被阻塞，直到該互斥鎖佔有者把它給解鎖.
pthread_mutex_trylock和pthread_mutex_lock類似，不過它始終立即返回，而不論被操作的互斥鎖是否加鎖，是pthread_mutex_lock的非阻塞版本.當目標互斥鎖未被加鎖時，pthread_mutex_trylock進行加鎖操作；否則將返回EBUSY錯誤碼。注意：這里討論的pthread_mutex_lock和pthread_mutex_trylock是針對普通鎖而言的，對於其他類型的鎖，這兩個加鎖函數會有不同的行為.
pthread_mutex_unlock以原子操作方式給一個互斥鎖進行解鎖操作。如果此時有其他線程正在等待這個互斥鎖，則這些線程中的一個將獲得它.

三個列印機輪流列印:

輸出結果:

如果說互斥鎖是用於同步線程對共享數據的訪問的話,那麼條件變數就是用於在線程之間同步共享數據的值.條件變數提供了一種線程之間通信的機制:當某個共享數據達到某個值時,喚醒等待這個共享數據的線程.
條件變數會在條件不滿足的情況下阻塞線程.且條件變數和互斥量一起使用，允許線程以無競爭的方式等待特定的條件發生.

其中pthread_cond_broadcast函數以廣播的形式喚醒所有等待目標條件變數的線程,pthread_cond_signal函數用於喚醒一個等待目標條件變數線程.但有時候我們可能需要喚醒一個固定的線程,可以通過間接的方法實現:定義一個能夠唯一標識目標線程的全局變數,在喚醒等待條件變數的線程前先設置該變數為目標線程,然後採用廣播的方式喚醒所有等待的線程,這些線程被喚醒之後都檢查該變數以判斷是否是自己.

採用條件變數+互斥鎖實現生產者消費者模型:

運行結果:

阻塞隊列+生產者消費者

運行結果:

㈢ linux 信號量是什麼怎麼用

Linux信號量(semaphore)是一種互斥機制。即對某個互斥資源的訪問會收到信號量的保護，在訪問之前需要獲得信號量。
在操作完共享資源後，需釋放信號量，以便另外的進程來獲得資源。獲得和釋放應該成對出現。
獲得信號量集，需要注意的是，獲得的是一個集合，而不是一個單一的信號量。
#include
#include
#include
1: int semget(key_t key,int nsems,int semflg);
key:系統根據這個值來獲取信號量集。
nsems:此信號集包括幾個信號量。
semflg:創建此信號量的屬性。 （IPC_CREAT | IPC_EXCL | S_IRUSR | S_IWUSR)
成功則返回該信號量集的ID。
註：
既指定IPC_CREAT又指定IPC_EXCL時，如果系統中該信號量集已經存在，則馬上返回。
如果需要獲得存在的信號量，則將此參數置0.
2: int semctl(int semid,int senum,int cmd....)
semid:信號量ID。
senum:對信號量集中的第幾個信號量進行控制。（從0開始）
cmd:需要進行的操作。（SETVAL是其中的一個）。
根據cmd的不同可能存在第四個參數，cmd=SETVAL時，表示同時信號量可以被獲得幾次，如第四個參數
num=1表示只能被獲得一次，既被信號量保護的資源只能同時被一個程序使用。
該系統調用，是在對信號量初始化時用的。
-3： 「3」前面加了"-"表示當需要使用互斥資源時應該做這步。
int semop(int semid,struct sembuf *sem,int num_elements);
struct sembuf {
unsigned short sem_num; //該信號量集中的第幾個信號量。
int sem_op;//需要獲得還是釋放信號量
int sem_flg;//相關動作
};
num_elements:需要對該信號量集中的多少個信號量進行處理。
獲得信號量時，將sembuf結構提初始化為：
sem_num = 0; //該信號量集中的首個信號量
sem_op = -1; //獲得信號量
sem_flag = IPC_NOWAIT; //如果不能獲得信號量，馬上返回。
semop(semid,_sem,1);
同理釋放信號量時，將sem_op設為1.
以上是對信號量的簡單處理

㈣ linux下信號量和互斥鎖的區別

信號量用在多線程多任務同步的，一個線程完成了某一個動作就通過信號量告訴別的線程，別的線程再進行某些動作（大家都在semtake的時候，就阻塞在哪裡）。
而互斥鎖是用在多線程多任務互斥的，一個線程佔用了某一個資源，那麼別的線程就無法訪問，直到這個線程unlock，其他的線程才開始可以利用這個資源。比如對全局變數的訪問，有時要加鎖，操作完了，在解鎖。
有的時候鎖和信號量會同時使用的。我記得以前做的一個項目就是既有semtake，又有lock。

㈤ 求助：linux 用戶態 線程同步中信號量，互斥

你好，
1.信號量和自旋鎖一般都用於互斥.
2.信號量一般進行上下文切換,可休眠,但不可中斷.
3.自旋鎖可中斷(中斷臨界區無獲鎖操作),不可休眠.
4.信號量互斥,一般臨界區TIME(sem)較長; 自旋鎖,一般臨界區TIME(lock)較短.

㈥ Linux信號量

信號量是包含一個非負整數型的變數，並且帶有兩個原子操作wait和signal。Wait還可以被稱為down、P或lock，signal還可以被稱為up、V、unlock或post。在UNIX的API中（POSIX標准）用的是wait和post。

對於wait操作，如果信號量的非負整形變數S大於0，wait就將其減1，如果S等於0，wait就將調用線程阻塞；對於post操作，如果有線程在信號量上阻塞（此時S等於0），post就會解除對某個等待線程的阻塞，使其從wait中返回，如果沒有線程阻塞在信號量上，post就將S加1.

由此可見，S可以被理解為一種資源的數量，信號量即是通過控制這種資源的分配來實現互斥和同步的。如果把S設為1，那麼信號量即可使多線程並發運行。另外，信號量不僅允許使用者申請和釋放資源，而且還允許使用者創造資源，這就賦予了信號量實現同步的功能。可見信號量的功能要比互斥量豐富許多。

POSIX信號量是一個sem_t類型的變數，但POSIX有兩種信號量的實現機制： 無名信號量 和 命名信號量 。無名信號量只可以在共享內存的情況下，比如實現進程中各個線程之間的互斥和同步，因此無名信號量也被稱作基於內存的信號量；命名信號量通常用於不共享內存的情況下，比如進程間通信。

同時，在創建信號量時，根據信號量取值的不同，POSIX信號量還可以分為：

下面是POSIX信號量函數介面：

信號量的函數都以sem_開頭，線程中使用的基本信號函數有4個，他們都聲明在頭文件semaphore.h中，該頭文件定義了用於信號量操作的sem_t類型：

【sem_init函數】：

該函數用於創建信號量，原型如下：

該函數初始化由sem指向的信號對象，設置它的共享選項，並給它一個初始的整數值。pshared控制信號量的類型，如果其值為0，就表示信號量是當前進程的局部信號量，否則信號量就可以在多個進程間共享，value為sem的初始值。

該函數調用成功返回0，失敗返回-1。

【sem_destroy函數】：

該函數用於對用完的信號量進行清理，其原型如下：

成功返回0，失敗返回-1。

【sem_wait函數】：

該函數用於以原子操作的方式將信號量的值減1。原子操作就是，如果兩個線程企圖同時給一個信號量加1或減1，它們之間不會互相干擾。其原型如下：

sem指向的對象是sem_init調用初始化的信號量。調用成功返回0，失敗返回-1。

sem_trywait()則是sem_wait()的非阻塞版本，當條件不滿足時（信號量為0時），該函數直接返回EAGAIN錯誤而不會阻塞等待。

sem_timedwait()功能與sem_wait()類似，只是在指定的abs_timeout時間內等待，超過時間則直接返回ETIMEDOUT錯誤。

【sem_post函數】：

該函數用於以原子操作的方式將信號量的值加1，其原型如下：

與sem_wait一樣，sem指向的對象是由sem_init調用初始化的信號量。調用成功時返回0，失敗返回-1。

【sem_getvalue函數】：

該函數返回當前信號量的值，通過restrict輸出參數返回。如果當前信號量已經上鎖（即同步對象不可用），那麼返回值為0，或為負數，其絕對值就是等待該信號量解鎖的線程數。

【實例1】：

【實例2】：

之所以稱為命名信號量，是因為它有一個名字、一個用戶ID、一個組ID和許可權。這些是提供給不共享內存的那些進程使用命名信號量的介面。命名信號量的名字是一個遵守路徑名構造規則的字元串。

【sem_open函數】：

該函數用於創建或打開一個命名信號量，其原型如下：

參數name是一個標識信號量的字元串。參數oflag用來確定是創建信號量還是連接已有的信號量。

oflag的參數可以為0，O_CREAT或O_EXCL：如果為0，表示打開一個已存在的信號量；如果為O_CREAT，表示如果信號量不存在就創建一個信號量，如果存在則打開被返回，此時mode和value都需要指定；如果為O_CREAT|O_EXCL，表示如果信號量存在則返回錯誤。

mode參數用於創建信號量時指定信號量的許可權位，和open函數一樣，包括：S_IRUSR、S_IWUSR、S_IRGRP、S_IWGRP、S_IROTH、S_IWOTH。

value表示創建信號量時，信號量的初始值。

【sem_close函數】：

該函數用於關閉命名信號量：

單個程序可以用sem_close函數關閉命名信號量，但是這樣做並不能將信號量從系統中刪除，因為命名信號量在單個程序執行之外是具有持久性的。當進程調用_exit、exit、exec或從main返回時，進程打開的命名信號量同樣會被關閉。

【sem_unlink函數】：

sem_unlink函數用於在所有進程關閉了命名信號量之後，將信號量從系統中刪除：

【信號量操作函數】：

與無名信號量一樣，操作信號量的函數如下:

命名信號量是隨內核持續的。當命名信號量創建後，即使當前沒有進程打開某個信號量，它的值依然保持，直到內核重新自舉或調用sem_unlink()刪除該信號量。

無名信號量的持續性要根據信號量在內存中的位置確定：

很多時候信號量、互斥量和條件變數都可以在某種應用中使用，那這三者的差異有哪些呢？下面列出了這三者之間的差異：