驱动-信号量

前面内容对自旋锁和自旋锁死锁进行了了解， 自旋锁会让请求的任务原地“自旋” ，在等待的过程中会循环检测自旋锁的状态， 进而占用系统资源， 而本章节要讲解的信号量也是解决竞争的一种常用方法， 与自旋锁不同的是， 信号量会使等待的线程进入休眠状态， 适用于那些占用资源比较久的场合

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参考资料

前面了解了原子操作和自旋锁，当然还有之前的字符设备相关操作，前面基础知识还是需要重点掌握的，才能将知识点串联起来：

接下来还是以前面字符设备 动态参数传递实验为基础，打开访问字符设备实验。 所以以前知识点 建议了解
在字符设备这块内容，所有知识点都是串联起来的，需要整体来理解，缺一不可，建议多了解一下基础知识
驱动-申请字符设备号
驱动-注册字符设备
驱动-创建设备节点
驱动-字符设备驱动框架
驱动-杂项设备
驱动-内核空间和用户空间数据交换
驱动-文件私有数据
Linux驱动之 原子操作
Linux驱动—原子操作
驱动-自旋锁
驱动-自旋锁死锁

信号量介绍

• 信号量是操作系统中最典型的用于同步和互斥的手段， 本质上是一个全局变量， 信号量的值表示控制访问资源的线程数，可以根据实际情况来自行设置， 如果在初始化的时候将信号量量值设置为大于 1， 那么这个信号量就是计数型信号量，允许多个线程同时访问共享资源。 如果将信号量量值设置为 1， 那么这个信号量就是二值信号量， 同一时间内只允许一个线程访问共享资源，注意！ 信号量的值不能小于 0。 当信号量的值为 0 时， 想访问共享资源的线程必须等待， 直到信号量大于 0 时，等待的线程才可以访问。 当访问共享资源时， 信号量执行“减一”操作， 访问完成后再执行“加一” 操作。

• 相比于自旋锁， 信号量具有休眠特性， 因此适用长时间占用资源的场合， 但由于信号量会引起休眠， 所以不能用在中断函数中，最后如果共享资源的持有时间比较短， 使用信号量的话会造成频繁的休眠， 反而带来更多资源的消耗， 使用自旋锁反而效果更好。 再同时使用信号量和自旋锁的时候， 要先获取信号量， 再使用自旋锁， 因为信号量会导致睡眠

• 以现实生活中的银行办理业务为例， 银行的业务办理窗口就是共享资源， 业务办理窗口的数量就是信号量量值， 进入银行之后， 客户需要领取相应的排序码， 然后在休息区进行等待，可以看作线程的睡眠阶段， 当前面的客户办理完业务之后， 相应的窗口会空闲出来， 可以看作信号量的释放， 之后银行会通过广播， 提醒下一位客户到指定的窗口进行业务的办理， 可以看作线程的唤醒并获取到信号量， 访问共享资源的过程。

信号量结构体 - semaphore

Linux 内核使用 semaphore 结构体来表示信号量，如下：

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

信号量API

信号量实验

源码程序-semaphore.c

这个源码程序，用到的还是访问字符设备的最基本内容来讲解，另外添加了 信号量api 来规避并发和竞争

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/atomic.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/semaphore.h>struct semaphore semaphore_test;//定义一个semaphore类型的结构体变量semaphore_teststatic int open_test(struct  inode  *inode,struct file *file){printk("\n this is open_test \n");down(&semaphore_test);//信号量数量减1return 0;};static ssize_t read_test(struct file *file,char __user *ubuf,size_t len,loff_t *off)
{int ret;char kbuf[10] = "topeet";//定义char类型字符串变量kbufprintk("\nthis is read_test \n");ret = copy_to_user(ubuf,kbuf,strlen(kbuf));//使用copy_to_user接收用户空间传递的数据if (ret != 0){printk("copy_to_user is error \n");}printk("copy_to_user is ok \n");return 0;
}
static char kbuf[10] = {0};//定义char类型字符串全局变量kbuf
static ssize_t write_test(struct file *file,const char __user *ubuf,size_t len,loff_t *off)
{int ret;ret = copy_from_user(kbuf,ubuf,len);//使用copy_from_user接收用户空间传递的数据if (ret != 0){printk("copy_from_user is error\n");}if(strcmp(kbuf,"topeet") == 0 ){//如果传递的kbuf是topeet就睡眠四秒钟ssleep(4);}else if(strcmp(kbuf,"itop") == 0){//如果传递的kbuf是itop就睡眠两秒钟ssleep(2);}printk("copy_from_user buf is %s \n",kbuf);return 0;
}
static int release_test(struct inode *inode,struct file *file)
{printk("\nthis is release_test \n");up(&semaphore_test);//信号量数量加1return 0;
}struct chrdev_test
{dev_t  dev_num;  //定义dev_t类型变量来表示设备号int major,minor; //定义int 类型的主设备号和次设备号struct cdev cdev_test;   //定义字符设备struct class *class_test;   //定义结构体变量class 类
};struct chrdev_test dev1; //创建chardev_test类型结构体变量static struct file_operations fops_test = {.owner=THIS_MODULE,//将owner字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块.open = open_test,//将open字段指向chrdev_open(...)函数.read = read_test,//将open字段指向chrdev_read(...)函数.write = write_test,//将open字段指向chrdev_write(...)函数.release = release_test,//将open字段指向chrdev_release(...)函数
};//定义file_operations结构体类型的变量cdev_test_opsstatic int __init chrdev_fops_init(void)//驱动入口函数
{sema_init(&semaphore_test,1);//初始化信号量结构体semaphore_test，并设置信号量的数量为1if(alloc_chrdev_region(&dev1.dev_num,0,1,"chrdev_name") < 0){printk("alloc_chrdev_region is error\n");}   printk("alloc_chrdev_region is ok\n");dev1.major=MAJOR(dev1.dev_num);//通过MAJOR()函数进行主设备号获取dev1.minor=MINOR(dev1.dev_num);//通过MINOR()函数进行次设备号获取printk("major is %d\n",dev1.major);printk("minor is %d\n",dev1.minor);使用cdev_init()函数初始化cdev_test结构体，并链接到cdev_test_ops结构体cdev_init(&dev1.cdev_test,&fops_test);dev1.cdev_test.owner = THIS_MODULE;//将owner字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块 cdev_add(&dev1.cdev_test,dev1.dev_num,1);printk("cdev_add is ok\n");dev1.class_test  = class_create(THIS_MODULE,"class_test");//使用class_create进行类的创建，类名称为class_testdevice_create(dev1.class_test,NULL,dev1.dev_num,NULL,"device_test");//使用device_create进行设备的创建，设备名称为device_testreturn 0;
}
static void __exit chrdev_fops_exit(void)//驱动出口函数
{cdev_del(&dev1.cdev_test);//使用cdev_del()函数进行字符设备的删除unregister_chrdev_region(dev1.dev_num,1);//释放字符驱动设备号 device_destroy(dev1.class_test,dev1.dev_num);//删除创建的设备class_destroy(dev1.class_test);//删除创建的类printk("module exit \n");}
module_init(chrdev_fops_init);//注册入口函数
module_exit(chrdev_fops_exit);//注册出口函数
MODULE_LICENSE("GPL v2");//同意GPL开源协议
MODULE_AUTHOR("wang fang chen "); //作者信息

部分源码解读

字符设备操作这里不再赘述，重点看看信号量怎么用的。
在之前学习过原子操作设置标志位， 在同一时间内只允许一个任务对共享资源进行访问的方式所不
同， 这里将采用信号量的方式避免竞争的产生。 本实验设置的信号量量值为 1， 所以需要在
open()函数中加入信号量获取函数， 在 release()函数中加入信号量释放函数即可。同时要记得初始化哦。

• 定义结构体 - semaphore

struct semaphore semaphore_test;//定义一个semaphore类型的结构体变量semaphore_test

• 驱动入口函数 init 中初始化 信号量结构体，设置值 - sema_init

static int __init chrdev_fops_init(void)//驱动入口函数
{sema_init(&semaphore_test,1);//初始化信号量结构体semaphore_test，并设置信号量的数量为1
...
}

• 在open 中消费信号量 - down

static int open_test(struct  inode  *inode,struct file *file){printk("\n this is open_test \n");down(&semaphore_test);//信号量数量减1return 0;};

• 程序释放资源时候，恢复信号量- up

static int release_test(struct inode *inode,struct file *file)
{printk("\nthis is release_test \n");up(&semaphore_test);//信号量数量加1return 0;
}

编译脚本 Makefile

#!/bin/bash
export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
obj-m += semaphore.o
KDIR :=/home/wfc123/Linux/rk356x_linux/kernel
PWD ?= $(shell pwd)
all:make -C $(KDIR) M=$(PWD) modulesclean:make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

测试程序 app.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main(int argc, char *argv[])
{int fd;                           // 定义int类型的文件描述符char str1[10] = {0};              // 定义读取缓冲区str1fd = open(argv[1], O_RDWR, 0666); // 调用open函数，打开输入的第一个参数文件，权限为可读可写// fd=open("/dev/device_test",O_RDWR,0666);//调用open函数，打开输入的第一个参数文件，权限为可读可写if (fd < 0){printf("open is error\n");return -1;}printf("open is ok\n");if (strcmp(argv[2], "topeet") == 0){write(fd, "topeet", sizeof(str1));}else if (strcmp(argv[2], "itop") == 0){write(fd, "itop", sizeof(str1));}close(fd); // 调用close函数，对取消文件描述符到文件的映射return 0;
}

编译 测试程序 app

aarch64-linux-gnu-gcc -o app app.c -static

准备测试命令和测试脚本-app.sh

测试命令

同时后台执行两个命令

./app /dev/device_test topeet &
./app /dev/device_test itop

测试脚本

这里准备签名驱动自选死锁的脚本，方便看看信号量的作用和效果。 app.sh

[root@topeet:/mnt/sdcard]# cat app.sh#!/bin/bash
taskset -c 0 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 1 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 2 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 3 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 0 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 1 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 2 ./app /dev/device_test topeet &
taskset -c 3 ./app /dev/device_test topeet &

加载驱动 insmod

加载驱动后，看一下字符相关操作是否有相关打印，从结果上看打印OK，逻辑正常在走。

查看 dev 下生成的字符设备

字符设备都已经生成了，说明测试程序没有问题的。

测试验证信号量程序

直接命令后台验证

./app /dev/device_test topeet &
./app /dev/device_test itop

看实验结果如下：文件操作是一个等着一个执行的呢

脚本批量执行后台任务 测试验证

实际结果是，打印一个接着一个打印，会按照程序里面的逻辑 等待几秒，执行完后才会执行下一个任务命令。 而且最重要的是 这里用的是自旋锁死锁的 脚本来验证，在信号量这里不会死机。 这样更方便理解信号量的原理了。

总结

• 信号量也是解决并发、竞争问题的一种方案
• 浅显的看：信号量原理就是一个全局的变量，类似于原子操作。会让线程、进程去处理其它事情，不用想自旋锁原地等待。大量频繁使用会增加切换资源消耗。
• 对于耗时任务 是它的一个使用场景