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嵌入式Linux——“大扳手”与“小螺丝”：为什么不该用信号量（Semaphore）去模拟“完成量”（Completion）

news 2025/11/10 12:01:14

问题理解

既然有了信号量可以实现两个执行单元之间的同步，为什么Linux还要有一个完成量来做这件事情呢？
答案是：它们在“设计意图”和“解决的特定问题”上完全不同。
虽然你可以用一个初始化为 0 的信号量来模拟一个完成量，但这就像用一把大扳手去拧一颗小螺丝。能用，但很别扭，而且可能会出错。
完成量 (completion) 被发明出来，是为了解决一个信号量（semaphore）处理得不好（或者说“不优雅”）的特定问题：

“一个或多个任务，需要等待另一个任务执行完毕（或到达某个点）”。

核心区别：“意图” (Intent)

这是最重要、最根本的区别，它决定了你该用哪个：
- 信号量 (Semaphore)：它的意图是“资源访问控制”。
  - 它像一个“令牌计数器”。down() 是为了获取一个令牌（资源使用权），up() 是为了归还一个令牌。
  - 你（程序员）看到 down() ，你的第一反应是：“哦，这里在锁定一个资源。”
- 完成量 (Completion)：它的意图是“事件信令”。
  - 它像一个“比赛的终点线”。wait_for_completion() 是为了等待一个事件发生。complete() 是为了宣布“事件已发生”。
  - 你看到 wait_for_completion()，你的第一反应是：“哦，这里在等待某个任务完成。”
使用“意图”清晰的工具，能让代码变得容易阅读，不需要额外一层理解，极大降低了维护成本。

关键技术区别：专为“等待完成”而优化

完成量在机制上就是为了“等待事件”而生的，它完美地解决了信号量在这里的两个痛点：

痛点一：致命的“先完成，后等待”竞态 (Race Condition)
- 这是信号量（用作信令时）最经典、最危险的BUG。
- 场景：
  1. 你（任务A）创建了一个内核线程（任务B），并想等待任务B初始化完毕后再继续。
  2. 你决定用一个 sema（初始化为0）来同步。
- 代码流程：
  1. 任务A：start_thread(B) -> down(&sema) (等待B完成)
  2. 任务B：do_init() -> up(&sem) (通知A已完成)
- BUG 出现：如果任务B跑得非常快（比如在A调用 down() 之前，B就已经被调度、执行、并完成了 up() ）：
  1. 任务A：start_thread(B)
  2. CPU 切换
  3. 任务B：do_init() -> up(&sema) (信号量 count 从 0 变成 1)
  4. CPU 切换
  5. 任务A：down(&sema) (发现 count 是 1，down() 成功，立即返回，根本不睡眠)
- 结果：down(&sema) 在 up(&sem) 之后执行，同步失败！ sema 没能让 A 等待 B。(注：这是一个简化的例子，实际的竞态更复杂，但这种时序错乱是信号量用作信令时的核心风险)。
- 完成量 (completion) 如何解决：
  - complete() 会设置一个内部标志位（比如 done）。
  - wait_for_completion() 在决定是否睡眠前，会先检查这个 done 标志位。
  - 完美解决：
    1. 任务A：start_thread(B)
    2. CPU 切换
    3. 任务B：do_init() -> complete(&c) (将 c.done 标志设为 1)
    4. CPU 切换
    5. 任务A：wait_for_completion(&c)
    6. wait_… 内部检查：“哦？c.done 已经是 1 了？那说明我等的人已经跑完了。我根本不需要睡眠，直接返回。”
  - 完成量被设计为可以安全地处理“信号（complete）在等待（wait）之前发生” 的情况。
  (注：你可能会说“信号量count=1了，down()也会立刻返回啊？”。是的，但在信号量的设计意图里，这是“获取资源”，而不是“等待事件”。完成量把这个行为固化成了标准接口，更安全，更清晰。)
痛点二：如何“广播”？(Thundering Herd)
- 信号量没有“广播”机制。
- 场景：你（写端）要删一个设备，有 5 个其他线程（读端）都在等待这个设备（比如 down() 了同一个 sema）。
- up(&sema) 的问题：up() 只会唤醒一个等待的线程。你想唤醒所有人？你得自己写循环，for (i=0; i<5; i++) up(&sema);。这非常笨拙且容易出错。
- complete() 的优势：完成量提供了两个版本的 complete：
  - complete(c)：只唤醒一个正在等待的线程。
  - complete_all(c)：唤醒所有正在等待的线程。(专为“广播事件”（例如“设备已移除，你们都别等了”）而设计)