Linux中信号量的实现

如果一个任务获取信号量失败，该任务必须等到其他任务释放信号量。本文的重点是，在Linux中，当一个任务释放一个信号量时，如何唤醒一个正在等待信号量的任务。

信号量定义如下：

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

链表用于管理由于信号量获取不成功而处于休眠状态的任务。

任务尝试通过调用 down() 函数来获取信号量。如果信号量获取失败，则调用()函数。 () 函数在函数内部被调用。 （其实down()函数有多种变体，比如信号量获取失败时，也会调用该函数。不同的down()函数最终调用不同的参数，处理不同的信号量获取方式。正在发生）。

同时整个down()函数被sem->lock保护。

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);
}

这里是重点：函数如何休眠任务，休眠任务如何被唤醒并获取信号量。

是一个关键数据结构，表示未能获取信号量的等待任务。 up字段标识任务是否被信号量唤醒，即休眠任务被某个信号唤醒后，判断是否被等待信号量唤醒。

struct semaphore_waiter {

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

函数首先初始化一个。 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;
...

然后休眠当前任务并调用 () 主动让出 CPU。上面说了，整个函数都在sem->lock的临界区，但是在spin lock的临界区是不可能sleep的，所以实际上在sleep之前就释放了锁，重新加锁被唤醒后获得。 .

当任务被唤醒时，如果.up为真，则任务可以获得信号量。 .up必须要判断，根据()函数传入的参数，任务可能处于不同的睡眠状态，可能被不同的信号唤醒，不一定是等待信号。

	for (;;) {
		if (signal_pending_state(state, current))
			goto interrupted;
		if (unlikely(timeout 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，如果该信号量的等待队列中有任务，则将队列中第一个任务的up标记为真，将其唤醒，同时将其从等待队列中删除时间。

同时，sem->count只在等待队列为空时才更新，保证等待队列中的任务优先于新任务获取信号量，严格的先进先出是保证。等待队列中的任务因为有新任务而被饿死。

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);
}

任务被唤醒后，检测到up为真，返回0，成功获取信号量。