信号量作为一种同步机制，在每个成熟的现代操作系统的实现过程中，起着不可替代的作用，对于Linux也不例外，在Linux2_4_x下，实现内核信号量机制的代码虽然不长，但由于涉及到多个进程间的相互干扰，并且在Linux发展过程中，不断进行优化，所以非常难于理解，在讲解Linux源代码的各类文章中，也大都对此语焉不详，本人通过认真阅读，对这部分代码有了一定的了解，这里介绍出来，希望对大家有所帮助。
信号量作为一种同步机制，在每个成熟的现代操作系统的实现过程中，起着不可替代的作用，对于Linux也不例外，在Linux2_4_x下，实现内核信号量机制的代码虽然不长，但由于涉及到多个进程间的相互干扰，并且在Linux发展过程中，不断进行优化，所以非常难于理解，在讲解Linux源代码的各类文章中，也大都对此语焉不详，本人通过认真阅读，对这部分代码有了一定的了解，这里介绍出来，希望对大家有所帮助。 首先看看信号量的概念: 1.信号量的类型定义: 每个信号量至少须记录两个信息：信号量的值和等待该信号量的进程队列。它的类型定义如下：（用类PASCAL语言表述） semaphore = record value: integer; queue: ^PCB; end; 其中PCB是进程控制块，是操作系统为每个进程建立的数据结构。s.value>=0时，s.queue为空； s.value<0时，s.value的绝对值为s.queue中等待进程的个数； 2.PV原语： 对一个信号量变量可以进行两种原语操作：p操作和v操作，定义如下： procedure p(var s:samephore); { s.value=s.value-1; if (s.value<0) asleep(s.queue); } procedure v(var s:samephore); { s.value=s.value+1; if (s.value<=0) wakeup(s.queue); } 其中用到两个标准过程： asleep(s.queue);执行此操作的进程的PCB进入s.queue尾部，进程变成等待状态wakeup(s.queue);将s.queue头进程唤醒插入就绪队列。s.value初值为1时，可以用来实现进程的互斥。p操作和v操作是不可中断的程序段，称为原语。如果将信号量看作共享变量，则pv操作为其临界区，多个进程不能同时执行，一般用硬件方法保证。一个信号量只能置一次初值，以后只能对之进行p操作或v操作。 再来看看在对应的Linux2.4.x具体实现中，信号量的数据结构： struct semaphore { atomic_t count; int sleepers; wait_queue_head_t wait; };可以看到相对于操作系统原理中的定义，数据结构多了一个sleepers成员，这个变量是为使主要分支代码执行速度更快，所作的优化。 其中，count相当于资源计数，为正数或0时表示可用资源数，-1则表示没有空闲资源且有等待进程，而其他的负数仅仅一个中间过程，当所有进程都稳定下来后，将最终变为-1。 sleepers相当于一个状态标志，它仅有0和1两个值，有时会出现2，但也只是中间状态，并没有实际意义。当sleepers为0时，表示没有进程在等待，或等待中的这些进程正在被唤醒过程中。当sleepers为1时，表示至少有一个进程在等待中 wait是等待队列。 在这里可以看到，等待进程的数量并不被关心。 下面我们来看函数，Linux2.4.x具体实现中，down()函数相当于p操作，up()函数相当于v操作。在down()函数中，count做原子减1操作，如果结果不小于0[第4行]，则表示成功申请，从down()中返回，如果结果为负（大多数情况是-1，注意判断“结果不小于0”的原因，是因为结果有可能是其他负数），表示需要等待，则调用__down_fail()[第7行]，（include/asm-i386/semaphore.h）：static inline void down(struct semaphore * sem){1 __asm__ __volatile__(2 "# atomic down operationnt"3 LOCK "decl %0nt" /* --sem->count */4 "js 2fn"5 "1:n"6 ".section .text.lock,"ax"n"7 "2:tcall __down_failednt"8 "jmp 1bn"9 ".previous"10 :"=m" (sem->count)11 :"c" (sem)12 :"memory");}__down_fail()调用__down()，（arch/i386/kernel/semaphore.c）：asm(".textn"".align 4n"".globl __down_failedn""__down_failed:nt"13 "pushl %eaxnt"14 "pushl %edxnt"15 "pushl %ecxnt"16 "call __downnt"17 "popl %ecxnt"18 "popl %edxnt"19 "popl %eaxnt"20 "ret");__down()用C代码实现。（arch/i386/kernel/semaphore.c）：void __down(struct semaphore * sem){21 struct task_struct *tsk = current;22 DECLARE_WAITQUEUE(wait, tsk);23 tsk->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;24 add_wait_queue_exclusive(&sem->wait, &wait);2526 spin_lock_irq(&semaphore_lock);27 sem->sleepers++;28 for (;;) {29 int sleepers = sem->sleepers;3031 /*32 * Add "everybody else" into it. They aren't33 * playing, because we own the spinlock.34 */35 if (!atomic_add_negative(sleepers - 1, &sem->count)) {36 sem->sleepers = 0;37 break;38 }39 sem->slee