一、信号量

信号量又称为信号灯，它是用来协调不同进程间的数据对象的，而最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。一般说来，为了获得共享资源，进程需要执行下列操作：
　　 （1） 测试控制该资源的信号量。
　　 （2） 若此信号量的值为正，则允许进行使用该资源。进程将信号量减1。
　　 （3） 若此信号量为0，则该资源目前不可用，进程进入睡眠状态，直至信号量值大于0，进程被唤醒，转入步骤（1）。
　　 （4） 当进程不再使用一个信号量控制的资源时，信号量值加1。如果此时有进程正在睡眠等待此信号量，则唤醒此进程。
　 　 维护信号量状态的是Linux内核操作系统而不是用户进程。我们可以从头文件/usr/src/linux/include/linux/sem.h 中看到内核用来维护信号量状态的各个结构的定义。信号量是一个数据集合，用户可以单独使用这一集合的每个元素。要调用的第一个函数是semget，用以获得一个信号量ID。Linux2.6.26下定义的信号量结构体：

struct semaphore {
spinlock_t lock;
unsigned int count;
struct list_head wait_list;
};
从以上信号量的定义中，可以看到信号量底层使用到了spin lock的锁定机制，这个spinlock主要用来确保对count成员的原子性的操作(count–)和测试(count > 0)。

1.信号量的P操作：
(1).void down(struct semaphore *sem);
(2).int down_interruptible(struct semaphore *sem);
(3).int down_trylock(struct semaphore *sem);

int down_interruptible(struct semaphore *sem) { unsigned long flags; int result = 0; spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags); if (likely(sem->count > 0)) sem->count--; else result = __down_interruptible(sem); spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags); return result; }

对此函数的理解：在保证原子操作的前提下，先测试count是否大于0，如果是说明可以获得信号量，这种情况下需要先将count–，以确保别的进程能否获得该信号量，然后函数返回，其调用者开始进入临界区。如果没有获得信号量，当前进程利用struct semaphore 中wait_list加入等待队列，开始睡眠。

对于需要休眠的情况，在__down_interruptible()函数中，会构造一个struct semaphore_waiter类型的变量（struct semaphore_waiter定义如下：

struct semaphore_waiter
{
struct list_head list;
struct task_struct *task;
int up;
};
），将当前进程赋给task，并利用其list成员将该变量的节点加入到以sem中的wait_list为头部的一个列表中，假设有多个进程在sem上调用down_interruptible，则sem的wait_list上形成的队列如下图：

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(注：将一个进程阻塞，一般的经过是先把进程放到等待队列中，接着改变进程的状态，比如设为TASK_INTERRUPTIBLE，然后调用调度函数schedule()，后者将会把当前进程从cpu的运行队列中摘下)

(3)试图去获得一个信号量，如果没有获得，函数立刻返回1而不会让当前进程进入睡眠状态。

2.信号量的V操作

void up(struct semaphore *sem)；

原型如下：
void up(struct semaphore *sem)
{
unsigned long flags;

讯享网 spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags); if (likely(list_empty(&sem->wait_list))) sem->count++; else __up(sem); spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags); 

}

如果没有其他线程等待在目前即将释放的信号量上，那么只需将count++即可。如果有其他线程正因为等待该信号量而睡眠，那么调用__up.

__up的定义：

复制代码
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 = 1;
wake_up_process(waiter->task);
}

二、互斥体

Linux 2.6.26中mutex的定义：

struct mutex { /* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */ atomic_t count; spinlock_t wait_lock; struct list_head wait_list; #ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES struct thread_info *owner; const char *name; void *magic; #endif #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC struct lockdep_map dep_map; #endif };

如果要定义一个静态mutex型变量，应该使用DEFINE_MUTEX

如果在程序运行期要初始化一个mutex变量，可以使用mutex_init（mutex），mutex_init是个宏，在该宏定义的内部，会调用__mutex_init函数。
#define mutex_init(mutex) \
do { \
static struct lock_class_key __key; \
\
__mutex_init((mutex), #mutex, &__key); \
} while (0)
__mutex_init定义如下：

void
__mutex_init(struct mutex *lock, const char *name, struct lock_class_key *key)
{
atomic_set(&lock->count, 1);
spin_lock_init(&lock->wait_lock);
INIT_LIST_HEAD(&lock->wait_list);

讯享网 debug_mutex_init(lock, name, key); 

}

从__mutex_init的定义可以看出，在使用mutex_init宏来初始化一个mutex变量时，应该使用mutex的指针型。

mutex上的P,V操作：void mutex_lock(struct mutex *lock)和void __sched mutex_unlock(struct mutex *lock)

从原理上讲，mutex实际上是count=1情况下的semaphore，所以其PV操作应该和semaphore是一样的。但是在实际的Linux代码上，出于性能优化的角度，并非只是单纯的重用down_interruptible和up的代码。以ARM平台的mutex_lock为例，实际上是将mutex_lock分成两部分实现：fast path和slow path，主要是基于这样一个事实：在绝大多数情况下，试图获得互斥体的代码总是可以成功获得。所以Linux的代码针对这一事实用ARM V6上的LDREX和STREX指令来实现fast path以期获得**的执行性能。

三、自旋锁

自旋锁它是为为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，”自旋”一词就是因此而得名。

自旋锁适用情况

typedef struct spinlock { union { struct raw_spinlock rlock; #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC # define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map)) struct{ u8 __padding[LOCK_PADSIZE]; struct lockdep_map dep_map; }; #endif }; } spinlock_t;

mutux底层支持：

futex_wait(addr, val)：检查*addr == val ?，若相等则将当前线程放入等待队列addr中随眠（陷入到内核态等待唤醒），否则调用失败并返回错误（依旧处于用户态）
futex_wake(addr, val)：唤醒val个处于等待队列addr中的线程（从内核态回到用户态） 因此采用futex(2)的互斥锁不必每次加解锁都从用户态切换到内核态，效率较高.
Windows：底层的CRITICAL_SECTION嵌入了一小段自旋锁，如果不能立即拿到锁，它先会自旋一小段时间，如果还拿不到，才挂起当前线程.

加锁和解锁的底层实现

加锁解锁过程在多核上的实现原理：TSL（或XCHG） + 锁变量

防止多个CPU并发的执行加解锁操作：加锁和解锁过程底层使用汇编实现的原子操作，由于屏蔽中断并不能对其它CPU造成任何影响，唯一的方法便是在加锁的过程中锁住内存总线。因此系统采用TSL或XCHG指令，这两个指令都将一个内存字lock读到寄存器中，然后在该内存地址上存上一个非零值表示加锁，整个读写内存字的操作即使在多核系统上也是原子的 —— 因为执行TSL或XCHG指令时CPU会锁住内存总线，以禁止其它CPU在本指令结束之前访问内存。
防止多个进程（同一CPU或不同CPU上的进程）并发的进入同一临界区：利用下面的汇编代码，由于TST、XCHG以及MOVE指令都是原子的，因此当第二个进程试图进入临界区时，第一个进程必然已经完成加锁操作，从而第二个进程无法进入同一临界区（根据比较结果可知第二个进程可能会阻塞或自旋）。解锁同理。—— 不同于屏蔽中断，使用该方法时同一CPU可以进程间切换，但切换后的进程却无法访问同一临界区。

互斥锁的加锁和解锁汇编实现：

mutex_lock:
TSL REGISTER, MUTEX // 该指令为原子操作，系统将互斥量MUTEX拷贝到寄存器，并将互斥量置为1（表示加锁），同时锁住MUTEX所在的总线，使得其它CPU无法访问该互斥量

JZE ok // 此时表示原来是解锁状态，因此只需返回处理临界区代码即可
CALL thread_yield // 此时表示原来是加锁状态，需要将进程阻塞，释放CPU的使用权，并调度到另一个线程thread_yield
JMP mutex_lock // 此时进程被唤醒，继续尝试
ok: RET
mutex_unlock:
MOVE MUTEX, 0 // 该指令也为原子操作，即将互斥锁MUTEX置为0，表示解锁
RET

自旋锁的加锁和解锁汇编实现：

spin_lock:
TSL REGISTER, LOCK // 将互斥量MUTEX拷贝到寄存器，并将互斥量置为1（表示加锁），同时锁住MUTEX所在的总线，使得其它CPU无法访问该互斥量
CMP REGISTER, 0 // 判断原互斥量是否为0, 若为0，则表示原来是解锁状态可用；否则表示原来是加锁状态，需要阻塞进程
JNE spin_lock // 此时表示原来是加锁状态，返回spin_lock的入口地址继续尝试加锁
RET
spin_unlock:
MOVE LOCK, 0 // 将互斥量LOCK置为0，表示解锁
RET

自旋锁的临界区内不允许任务睡眠：自旋锁分两种，一种是在关抢占的同时顺带关中断的spinlock_irqsave，另一种是仅关抢占而开中断的spinlock。对于顺带关中断的自旋锁来说，显而易见在临界区内使不能睡眠的；而对于开中断的自旋锁来说，可能发生如下两种情况：

死锁：任务A获得自旋锁之后睡眠，接着又发生了中断，而中断处理程序内部又打算获取同一个自旋锁，则此时会发生自死锁 —— 这也是为什么自旋锁是不可重入的。
CPU浪费：倘若中断处理程序内部没有获取同一个自旋锁的操作，则理论上可以产生调度。假设进程B打算获取CPU的控制权，但由于此时是关抢占的（因为进程A还没有解自旋锁，此时依旧处于自旋锁的临界区中），导致进程B无法运行。也就是说CPU将无法运行任何程序，一直处于无事可做的状态，造成CPU的浪费。
为什么关中断时不能睡眠？：唤醒一个睡眠的进程依赖于调度器，而调度器是通过时钟中断来判断合适唤醒进程的，倘若在关闭中断的时候进程睡眠，则调度器将再也无法收到时钟中断（因为开中断的操作也是由该进程控制的），从而永远都无法唤醒睡眠的进程。也就是说该进程将处于睡死状态。
获取自旋锁和禁止中断的时候为什么不能睡眠?
自旋锁不允许递归使用：由于外层递归已将资源锁定，因此即使内层递归不断的申请这个资源也无法获得资源，从而进入死循环。

四、信号量、互斥体和自旋锁的区别

信号量/互斥体和自旋锁的区别

信号量/互斥体允许进程睡眠属于睡眠锁，自旋锁则不允许调用者睡眠，而是让其循环等待，所以有以下区别应用
1）、信号量和读写信号量适合于保持时间较长的情况，它们会导致调用者睡眠，因而自旋锁适合于保持时间非常短的情况
2）、自旋锁可以用于中断，不能用于进程上下文(会引起死锁)。而信号量不允许使用在中断中，而可以用于进程上下文
3）、自旋锁保持期间是抢占失效的，自旋锁被持有时，内核不能被抢占，而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的

另外需要注意的是
1）、信号量锁保护的临界区可包含可能引起阻塞的代码，而自旋锁则绝对要避免用来保护包含这样代码的临界区，因为阻塞意味着要进行进程的切换，如果进程被切换出去后，另一进程企图获取本自旋锁，死锁就会发生。
2）、在你占用信号量的同时不能占用自旋锁，因为在你等待信号量时可能会睡眠，而在持有自旋锁时是不允许睡眠的。

信号量和互斥体之间的区别

概念上的区别：

信号量：是进程间（线程间）同步用的，一个进程（线程）完成了某一个动作就通过信号量告诉别的进程（线程），别的进程（线程）再进行某些动作。有二值和多值信号量之分。

互斥锁：是线程间互斥用的，一个线程占用了某一个共享资源，那么别的线程就无法访问，直到这个线程离开，其他的线程才开始可以使用这个共享资源。可以把互斥锁看成二值信号量。

上锁时：

信号量: 只要信号量的value大于0，其他线程就可以sem_wait成功，成功后信号量的value减一。若value值不大于0，则sem_wait阻塞，直到sem_post释放后value值加一。一句话，信号量的value>=0。

互斥锁: 只要被锁住，其他任何线程都不可以访问被保护的资源。如果没有锁，获得资源成功，否则进行阻塞等待资源可用。一句话，线程互斥锁的vlaue可以为负数。