2020年5月17日星期日

【原创】Linux信号量机制分析

【原创】Linux信号量机制分析


背景

  • Read the fucking source code! --By 鲁迅
  • A picture is worth a thousand words. --By 高尔基

说明：

  1. Kernel版本：4.14
  2. ARM64处理器，Contex-A53，双核
  3. 使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

  • 信号量semaphore，是操作系统中一种常用的同步与互斥的机制；
  • 信号量允许多个进程（计数值>1）同时进入临界区；
  • 如果信号量的计数值为1，一次只允许一个进程进入临界区，这种信号量叫二值信号量；
  • 信号量可能会引起进程睡眠，开销较大，适用于保护较长的临界区；
  • 与读写自旋锁类似，linux内核也提供了读写信号量的机制；

本文将分析信号量与读写信号量的机制，开始吧。

2. 信号量

2.1 流程分析

  • 可以将信号量比喻成一个盒子，初始化时在盒子里放入N把钥匙，钥匙先到先得，当N把钥匙都被拿走完后，再来拿钥匙的人就需要等待了，只有等到有人将钥匙归还了，等待的人才能拿到钥匙；

信号量的实现很简单，先看一下数据结构：

struct semaphore {	raw_spinlock_t		lock;  //自旋锁，用于count值的互斥访问	unsigned int		count;  //计数值，能同时允许访问的数量，也就是上文中的N把锁	struct list_head	wait_list;  //不能立即获取到信号量的访问者，都会加入到等待列表中};struct semaphore_waiter {	struct list_head list;  //用于添加到信号量的等待列表中	struct task_struct *task; //用于指向等待的进程，在实际实现中，指向current	bool up;     //用于标识是否已经释放};

流程如下：

  • down接口用于获取信号量，up用于释放信号量；
  • 调用down时，如果sem->count > 0时，也就是盒子里边还有多余的锁，直接自减并返回了，当sem->count == 0时，表明盒子里边的锁被用完了，当前任务会加入信号量的等待列表中，设置进程的状态，并调用schedule_timeout来睡眠指定时间，实际上这个时间设置的无限等待，也就是只能等着被唤醒，当前任务才能继续运行；
  • 调用up时，如果等待列表为空，表明没有多余的任务在等待信号量，直接将sem->count自加即可。如果等待列表非空，表明有任务正在等待信号量，那就需要对等待列表中的第一个任务（等待时间最长）进行唤醒操作，并从等待列表中将需要被唤醒的任务进行删除操作；

2.2 信号量缺点

  • 对比下《Linux Mutex机制分析》说过的Mutex，Semaphore与Mutex在实现上有一个重大的区别：ownership。Mutex被持有后有一个明确的owner，而Semaphore并没有owner，当一个进程阻塞在某个信号量上时，它没法知道自己阻塞在哪个进程（线程）之上；
  • 没有ownership会带来以下几个问题：
    1. 在保护临界区的时候，无法进行优先级反转的处理；
    2. 系统无法对其进行跟踪断言处理，比如死锁检测等；
    3. 信号量的调试变得更加麻烦；

因此，在Mutex能满足要求的情况下，优先使用Mutex。

2.3 其他接口

信号量提供了多种不同的信号量获取的接口，介绍如下：

/* 未获取信号量时，进程轻度睡眠： TASK_INTERRUPTIBLE */int down_interruptible(struct semaphore *sem)/* 未获取到信号量时，进程中度睡眠： TASK_KILLABLE */int down_killable(struct semaphore *sem)/* 非等待的方式去获取信号量 */int down_trylock(struct semaphore *sem)/* 获取信号量，并指定等待时间 */int down_timeout(struct semaphore *sem, long timeout)

3. 读写信号量

【原创】linux spinlock/rwlock/seqlock原理剖析（基于ARM64）文章中，我们分析过读写自旋锁，读写信号量的功能类似，它能有效提高并发性，我们先明确下它的特点：

  • 允许多个读者同时进入临界区；
  • 读者与写者不能同时进入临界区（读者与写者互斥）；
  • 写者与写者不能同时进入临界区（写者与写者互斥）；

3.1 数据结构

读写信号量的数据结构与信号量的结构比较相似：

struct rw_semaphore {	atomic_long_t count;  //用于表示读写信号量的计数	struct list_head wait_list;  //等待列表，用于管理在该信号量上睡眠的任务	raw_spinlock_t wait_lock; //锁，用于保护count值的操作#ifdef CONFIG_RWSEM_SPIN_ON_OWNER	struct optimistic_spin_queue osq; /* spinner MCS lock */ //MCS锁，参考上一篇文章Mutex中的介绍	/*	 * Write owner. Used as a speculative check to see	 * if the owner is running on the cpu.	 */	struct task_struct *owner;  //当写者成功获取锁时，owner会指向锁的持有者
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