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前言

信号量

概念与特性

信号量 API 函数

互斥体

概念与特性

互斥体 API 函数

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前言

Linux 内核提供的几种并发和竞争的处理方法，我们学习了：

驱动开发篇14——原子操作

驱动开发篇15——linux自旋锁

本讲我们就继续学习：信号量和互斥体。

信号量

概念与特性

Linux 内核提供了信号量机制，信号量常常用于控制对共享资源的访问。

信号量是一种​​睡眠锁​​机制，通过计数器控制对共享资源的访问：

• ​​计数器值​​：表示可用资源数量
• ​​P操作​​：申请资源（值减1，若为0则阻塞）
• ​​V操作​​：释放资源（值加1，唤醒等待者）

信号量常见的有4种类型：

这几个信号量的主要区别如下：

总结一下信号量的特点：

• 信号量可以使等待资源线程进入休眠状态，因此适用于那些占用资源比较久的场合。
• 信号量不能用于中断中，因为信号量会引起休眠，中断不能休眠。
• 如果共享资源的持有时间比较短，那就不适合使用信号量了，因为频繁的休眠、切换线程引起的开销要远大于信号量带来的那点优势。

信号量 API 函数

Linux 内核使用 semaphore 结构体表示信号量，结构体内容如下：

struct semaphore {raw_spinlock_t lock;      // 保护信号量结构的自旋锁unsigned int count;       // 可用资源计数器struct list_head wait_list; // 等待进程链表
};

有关信号量的 API 函数如表：

示例代码如下：

#include <linux/module.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <linux/sched.h>// 定义并初始化信号量（方法1）
static DEFINE_SEMAPHORE(my_sem);// 动态信号量（方法2）
static struct semaphore dynamic_sem;static int __init semaphore_demo_init(void)
{printk(KERN_INFO "Semaphore Demo Start\n");// 初始化动态信号量（初始值设为2）sema_init(&dynamic_sem, 2);// 1. 基本获取/释放down(&my_sem);printk("Process %d entered critical section\n", current->pid);up(&my_sem);// 2. 非阻塞尝试if (down_trylock(&dynamic_sem) == 0) {printk("Got semaphore without waiting\n");up(&dynamic_sem);} else {printk("Semaphore busy, continue other work\n");}// 3. 可中断等待if (down_interruptible(&dynamic_sem)) {printk("Interrupted by signal\n");return -ERESTARTSYS;}/* 临界区操作（可安全休眠） */msleep(100);up(&dynamic_sem);return 0;
}static void __exit semaphore_demo_exit(void)
{printk(KERN_INFO "Semaphore Demo End\n");
}module_init(semaphore_demo_init);
module_exit(semaphore_demo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

互斥体

概念与特性

将信号量的值设置为 1，就可以通过信号量实现互斥，但是 Linux 提供了一个比信号量更专业的机制来进行互斥，它就是互斥体—mutex。

互斥体（Mutual Exclusion）是一种​​睡眠锁​​机制，用于保护临界区资源，具有以下特性：

• ​​独占访问​​：同一时间仅允许一个线程持有锁
• ​​睡眠等待​​：获取锁失败时让出CPU（非忙等待）
• ​​进程上下文​​：只能在可调度上下文中使用

和自旋锁、信号相比，互斥体的优势如下：

Linux （5.15+）内核使用 mutex 结构体表示互斥体，定义如下：

struct mutex {atomic_long_t owner;          // 持有者标识 + 状态标志spinlock_t wait_lock;        // 保护等待队列的自旋锁struct list_head wait_list;   // 等待线程链表
#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXESconst char *name;             // 调试用名称void *magic;                  // 调试用魔数
#endif
};

在使用 mutex 之前要先定义一个 mutex 变量。

在使用 mutex 的时候要注意如下几点：

• mutex 可以导致休眠，因此不能在中断中使用 mutex，中断中只能使用自旋锁。
• 和信号量一样， mutex 保护的临界区可以调用引起阻塞的 API 函数。
• 因为一次只有一个线程可以持有 mutex，因此，必须由 mutex 的持有者释放 mutex。并且 mutex 不能递归上锁和解锁。

互斥体 API 函数

有关互斥体的 API 函数如表：

示例代码如下：

#include <linux/module.h>
#include <linux/mutex.h>static DEFINE_MUTEX(global_mutex);  // 静态定义并初始化全局互斥体
static struct mutex dynamic_mutex;  // 动态互斥体
static int shared_data = 0;         // 共享数据static int __init mutex_demo_init(void)
{printk(KERN_INFO "Mutex Demo Start\n");// 1. 初始化动态互斥体mutex_init(&dynamic_mutex);// 2. 检查锁状态printk("Global mutex is %slocked\n", mutex_is_locked(&global_mutex) ? "" : "not ");// 3. 基本加锁/解锁mutex_lock(&global_mutex);shared_data = 100;mutex_unlock(&global_mutex);// 4. 尝试获取锁（非阻塞）if (mutex_trylock(&dynamic_mutex)) {printk("Got dynamic mutex immediately\n");mutex_unlock(&dynamic_mutex);} else {printk("Dynamic mutex is busy\n");}// 5. 可中断锁（推荐用法）if (mutex_lock_interruptible(&global_mutex)) {printk("Interrupted by signal while waiting\n");return -ERESTARTSYS;}/* 临界区操作（可安全休眠） */shared_data += 50;msleep(10);  // 模拟耗时操作mutex_unlock(&global_mutex);return 0;
}static void __exit mutex_demo_exit(void)
{// 确保所有锁已释放if (!mutex_is_locked(&dynamic_mutex)) {mutex_lock(&dynamic_mutex);shared_data = 0;mutex_unlock(&dynamic_mutex);}printk(KERN_INFO "Final shared_data: %d\n", shared_data);printk(KERN_INFO "Mutex Demo End\n");
}module_init(mutex_demo_init);
module_exit(mutex_demo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");