1 什麼是信号量？
對于信号量我們并不陌生。信号量在計算機科學中是一個很容易了解的概念。本質上，信号量就是一個簡單的整數，對其進行的操作稱為PV操作。進入某段臨界代碼段就會調用相關信号量的P操作；如果信号量的值大于0，該值會減1，程序繼續執行。相反，如果信号量的值等于0，該程序就會等待，直到有其它程式釋放該信号量。釋放信号量的過程就稱為V操作，通過增加信号量的值，喚醒正在等待的程序。
注：
信号量，這一同步機制為什麼稱為PV操作。原來，這些術語都是來源于狄克斯特拉使用荷蘭文定義的。因為在荷蘭文中，通過叫
，釋放叫passeren
，PV操作是以得名。這是在計算機術語中不是用英語表達的極少數的例子之一。vrijgeven
事實上，Linux提供了兩類信号量：
- 核心使用的信号量
- 使用者态使用的信号量（遵循
System V IPC
在本文中，我們集中研究核心信号量，至于程序間通信使用的信号量以後再分析。是以，後面再提及的信号量指的是核心信号量。
信号量與自旋鎖及其類型，不同之處是使用自旋鎖的話，擷取鎖失敗的時候，進入忙等待狀态，也就是一直在自旋。而使用信号量的話，如果擷取信号量失敗，則相應的程序會被挂起，知道資源被釋放，相應的程序就會繼續運作。是以，信号量隻能由那些允許休眠的程式可以使用，像中斷處理程式和可延時函數等不能使用。
2 信号量的實作
信号量的結構體是
semaphore
，包含下面的成員：
-
count
是一個
atomic_t
-
wait
休眠程序等待隊列清單的位址，這些程序都是要通路該信号保護的資源。當然了，如果count大于0，這個等待隊列是空的。
-
sleepers
标志是否有程序正在等待該信号。
雖然信号量可以支援很大的count，但是在linux核心中，大部分情況下還是使用信号量的一種特殊形式，也就是
互斥信号量（MUTEX）
。是以，在早期的核心版本（
2.6.37
之前），專門提供了一組函數：
init_MUTEX() // 将count設為1
init_MUTEX_LOCKED() // 将count設為0 複制
用它們來初始化信号量，實作獨占通路。init_MUTEX()函數将互斥信号設為1，允許程序使用這個互斥信号量加鎖通路資源。init_MUTEX_LOCKED()函數将互斥信号量設為0，說明資源已經被鎖住，程序想要通路資源需要先等待别的地方解鎖，然後再請求鎖獨占通路該資源。這種初始化方式一般是在該資源需要其它地方準備好後才允許通路，是以初始狀态先被鎖住。等準備後，再釋放鎖允許等待程序通路資源。
另外，還分别有兩個靜态初始化方法：
DECLARE_MUTEX
DECLARE_MUTEX_LOCKED 複制
這兩個宏的作用和上面的初始化函數一緻，但是靜态配置設定信号量變量。當然了，count還可以被初始化為一個整數值n（n大于1），這樣的話，可以允許多達n個程序并發通路資源。
但是，從Linux核心2.6.37版本之後，上面的函數和宏已經不存在。這是為什麼呢？因為大家發現在Linux核心的設計實作中通常使用互斥信号量，而不會使用信号量。那既然如此，為什麼不直接使用自旋鎖和一個int型整數設計信号量呢？這樣的話，因為自旋鎖本身就有互斥性，代碼豈不更為簡潔？這樣設計，還有一個原因就是之前使用atomic原子變量表示count，但是等待該信号量的程序隊列還是需要自旋鎖進行保護，有點重複。于是，2.6.37版本核心開始，就使用自旋鎖和count設計信号量了。代碼如下：
struct semaphore {
raw_spinlock_t lock;
unsigned int count;
struct list_head wait_list;
}; 複制
這樣的設計使用起來更為友善簡單。當然了，結構體的變化必然導緻操作信号量的函數發生設計上的改變。
3 如何擷取和釋放信号量
前面我們已經知道，信号量實作在核心發展的過程中發生了更變。是以，其擷取和釋放信号量的過程必然也有了改變。為了更好的了解信号量，也為了嘗試了解核心在設計上的一些思想和機制。我們還是先了解一下早期版本核心擷取和釋放信号量的過程。
因為信号量的釋放過程比擷取更為簡單，是以我們先以釋放信号量的過程為例進行分析。如果一個程序想要釋放核心信号量，會調用up()函數。這個函數，本質上等價于下面的代碼：
movl $sem->count,%ecx
lock; incl (%ecx)
jg 1f // 标号1後面的f字元表示向前跳轉，如果是b表示向後跳轉
lea %ecx,%eax
pushl %edx
pushl %ecx
call __up
popl %ecx
popl %edx
1: 複制
上面的代碼實作的過程大概是，先把信号量的count拷貝到寄存器ecx中，然後使用lock指令原子地将ecx寄存器中的值加1。如果eax寄存器中的值大于0，說明沒有程序在等待這個信号，則跳轉到标号1處開始執行。使用加載有效位址指令
lea
将寄存器ecx中的值的位址加載到eax寄存器中，也就是說把變量sem->count的位址（因為count是第一個成員，是以其位址就是sem變量的位址）加載到eax寄存器中。至于兩個pushl指令把edx和ecx壓棧，是為了儲存目前值。因為後面調用
__up()
函數的時候約定使用3個寄存器（eax，edx和ecx）傳遞參數，雖然此處隻有一個參數。為此調用C函數的核心棧準備好了，可以調用
__up()
函數了。該函數的代碼如下：
__attribute__((regparm(3))) void __up(struct semaphore *sem)
{
wake_up(&sem->wait);
} 複制
反過來，如果一個程序想要請求一個核心信号量，調用
down()
函數，也就是實施p操作。該函數的實作比較複雜，但是大概内容如下：
down:
movl $sem->count,%ecx
lock; decl (%ecx);
jns 1f
lea %ecx, %eax
pushl %edx
pushl %ecx
call __down
popl %ecx
popl %edx
1: 複制
上面代碼實作過程：移動sem->count到ecx寄存器中，然後對ecx寄存器進行原子操作，減1。然後檢查它的值是否為負值。如果該值大于等于0，則說明目前程序請求信号量成功，可以執行信号量保護的代碼區域；否則，說明信号量已經被占用，程序需要挂起休眠。因而，把sem->count的位址加載到eax寄存器中，并将edx和ecx寄存器壓棧，為調用C語言函數做好準備。接下來，就可以調用
__down()
函數了。
__down()
函數是一個C語言函數，内容如下：
__attribute__((regparm(3))) void __down(struct semaphore * sem)
{
DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
unsigned long flags;
current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
spin_lock_irqsave(&sem->wait.lock, flags);
add_wait_queue_exclusive_locked(&sem->wait, &wait);
sem->sleepers++;
for (;;) {
if (!atomic_add_negative(sem->sleepers-1, &sem->count)) {
sem->sleepers = 0;
break;
}
sem->sleepers = 1;
spin_unlock_irqrestore(&sem->wait.lock, flags);
schedule();
spin_lock_irqsave(&sem->wait.lock, flags);
current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
}
remove_wait_queue_locked(&sem->wait, &wait);
wake_up_locked(&sem->wait);
spin_unlock_irqrestore(&sem->wait.lock, flags);
current->state = TASK_RUNNING;
} 複制
__down()
函數改變程序的運作狀态，從TASK_RUNNING到TASK_UNINTERRUPTIBLE，然後把它添加到該信号量的等待隊列中。其中sem->wait中包含一個自旋鎖spin_lock，使用它保護wait等待隊列這個資料結構。同時，還要關閉本地中斷。通常，queue操作函數從隊列中插入或者删除一個元素，都是需要lock保護的，也就是說，有一個請求、釋放鎖的過程。但是，__down()函數還使用這個queue的自旋鎖保護其它成員，是以擴大了鎖的保護範圍。是以調用的queue操作函數都是帶有
_locked
字尾的函數，表示鎖已經在函數外被請求成功了。
__down()
函數的主要任務就是對信号量結構體中的count計數進行減1操作。sleepers如果等于0，則說明沒有進行在等待隊列中休眠；如果等于1，則相反。
以MUTEX信号量為例進行說明。
-
第1種情況：count等于1，sleepers等于0。
也就是說，信号量現在沒有程序使用，也沒有等待該信号量的程序在休眠。
down()
__down()
-
第2種情況：count等于0，sleepers也等于0。
這種情況下，會調用
__down()
atomic_add_negative()
sem->sleepers-1
-
第3種情況：count等于0，sleepers等于1。
進入
__down()
-
第4種情況：count是-1，sleepers等于0。
這種情況下，進入
__down()
atomic_add_negative()
-
第5種情況：count是-1，sleepers等于1。
這種情況下，進入
__down()
通過上面幾種情況的分析，我們可知不管哪種情況都能正常工作。wake_up()每次最多可以喚醒一個程序，因為在等待隊列中的程序是互斥的，不可能同時有兩個休眠程序被激活。
3 請求信号量的其它函數版本
在上面的分析過程中，我們知道down()函數的實作過程，需要關閉中斷，而且這個函數會挂起程序，而中斷服務例程中是不能挂起程序的。是以，隻有異常處理程式，尤其是系統調用服務例程可以調用down()函數。基于這個原因，Linux還提供了其它版本的請求信号量的函數：
-
down_trylock()
可以被中斷和延時函數調用。基本上與down()函數的實作一緻，除了當信号量不可用時立即傳回，而不是将程序休眠外。
-
down_interruptible()
廣泛的應用在驅動程式中，因為它允許當信号量忙時，允許程序可以接受信号，進而中止請求信号量的操作。如果正在休眠的程序在取得信号量之前被其它信号喚醒，這個函數将信号量的count值加1，并且傳回
-EINTR
-EINTR
其實，通過上面的分析，很容易看出down()函數有點雞肋。它能實作的功能，down_interruptible()函數都能實作。而且down_interruptible()還能滿足中斷處理程式和延時函數的調用。是以，在2.6.37版本以後的核心中，這個函數已經被廢棄。