先看进程间的互斥。在linux内核中主要通过semaphore机制和spin_lock机制实现。主要的区别是在semaphore机制中，进不了临界区时会进行进程的切换，而spin_lock刚执行忙等（在SMP中）。先看内核中的semaphore机制。前提是对引用计数count增减的原子性操作。内核用atomic_t的数据结构和在它上面的一系列操作如atomic_add()、atomic_sub()等等实现。（定义在atomic.h中）semaphone机制主要通过up()和down()两个操作实现。semaphone的结构为:
struct semaphore
{
atomic_t count;
int sleepers;
wait_queue_head_t wait;
}; |
相应的down()函数为:
static inline void down(struct semaphore*sem)
{
/* 1 */sem->count--; //为原子操作
if(sem->count<0)
{
struct task_struct *tsk = current;
DECLARE_WAITQUEUE(wait, tsk);
tsk->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
add_wait_queue_exclusive(&sem->wait, &wait);
spin_lock_irq(&semaphore_lock);
/* 2 */ sem->sleepers++;
for (;;) {
int sleepers = sem->sleepers;
/*
* Add "everybody else" into it. They aren't
* playing, because we own the spinlock.
*/
/* 3 */ if (!atomic_add_negative(sleepers - 1, &sem->count)) {
/* 4 */ sem->sleepers = 0; //这时sem->count=0
break;
}
/* 4 */ sem->sleepers = 1; /* us - see -1 above */ // 这时sem
->count
=-1
spin_unlock_irq(&semaphore_lock);
schedule();
tsk->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
spin_lock_irq(&semaphore_lock);
}
spin_unlock_irq(&semaphore_lock);
remove_wait_queue(&sem->wait, &wait);
tsk->state = TASK_RUNNING;
wake_up(&sem->wait);
}
} |
相应的up()函数为:
void up(struct semaphore*sem)
{
sem->count++; //为原子操作
if(sem->count<=0)
{
//唤醒等待队列中的一个符合条件的进程（因为每个进程都加了TASK_EXCLUSIVE标志）
。
}; |
假设开始时，count=1;sleepers=0。当进程A执行down()时，引用计数count--，如果这时它的值大于等于0，则从down()中直接返回。如果count少于0，则A的state改为TASK_INTERRUPTIBLE后进入这个信号量的等待队列中，同时使sleepers++;然后重新计算count=sleepers - 1 + count,若这时引用计数仍小于0（一般情况下应为-1，因为count = - sleepers,不过在SMP结构中，期间别的进程可能执行了up()和down()从而使得引用计数的值可能变化），则执行进程切换。
当进程A又获得机会运行时，它先执行wake_up(&sem->wait)操作，唤醒等待队列里的一个进程，接着它进入临界区，从临界区出来时执行up()操作，使sem->count++,（如果进程A是从down()中直接返回，因为这时等待队列一定为空，所以它不用执行wake_up()操作，直接进入临界区，在从临界区出来时一样执行up()操作，使 sem->count++）。这时如果count的值小于等于0，这表明在它在临界区期间又有一个进程（可能就是它进入临界区时唤醒的那个进程）进入睡眠了，则执行wake_up()操作，反之，如果count的值已经大于0，这表明在它在临界区期间没有别的进程（包括在它进入临界区时被它唤醒过的那个进程）进入睡眠，那么它就可以直接返回了。
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