(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。
信号量的V操作
void up(struct semaphore *sem); /** * up - release the semaphore * @sem: the semaphore to release * * Release the semaphore. Unlike mutexes, up() may be called from any * context and even by tasks which have never called down(). */ void up(struct semaphore *sem) { unsigned long flags; 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：
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);
}
这个函数首先获得sem所在的wait_list为头部的链表的第一个有效节点，然后从链表中将其删除，然后唤醒该节点上睡眠的进程。
由此可见，对于sem上的每次down_interruptible调用，都会在sem的wait_list链表尾部加入一新的节点。对于sem上的每次up调用，都会删除掉wait_list链表中的第一个有效节点，并唤醒睡眠在该节点上的进程。
互斥锁
两种形式的制约关系
1）间接相互制约关系（互斥）
若某一进程要求使用某种资源，而该资源正好被另一进程使用，并且该资源不允许两个进程同时使用，那么该进程只好等待已占有的资源的进程释放资源后再使用。这种制约关系可以用“进程-资源-进程”的形式表示。例如，打印机资源，进程互斥经典问题中生产者-生产者问题。
2）直接相互制约关系（同步）
某一进程若收不到另一进程提供的必要信息就不能继续运行下去，表明了两个进程之间在某些点上要交换信息，相互交流运行情况。这种制约关系的进本形式是“进程-进程”。例如生产者与消费者问题，生产者生产产品并放入缓冲池，消费者从缓冲池取走产品进行消费。这两者就是同步关系。
区分互斥和同步只需记住，同类进程即为互斥关系，不同类进程即为同步关系。
临界资源：同时只允许一个进程使用的资源。
临界区：进程中用于访问临界资源的代码段，又称临界段。
每个进程的临界区代码可以不同，临界区代码由于要访问临界资源，因此要在进入临界区之前进行检查，至于每个进程对临界资源进行怎样的操作，这和临界资源及互斥同步管理是无关的。
Linux 2.6.26中mutex的定义：
struct mutex { /* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */ atomic_t count;//原子操作类型变量 spinlock_t wait_lock;//自旋锁类型变量 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 }; |
对比前面的struct semaphore，struct mutex除了增加了几个作为debug用途的成员变量外，和semaphore几乎长得一样。但是mutex的引入主要是为了提供互斥机制，以避免多个进程同时在一个临界区中运行。
如果静态声明一个count=1的semaphore变量，可以使用DECLARE_MUTEX(name)，DECLARE_MUTEX(name)实际上是定义一个semaphore，所以它的使用应该对应信号量的P,V函数.
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：
/*** * mutex_init - initialize the mutex * @lock: the mutex to be initialized * * Initialize the mutex to unlocked state. * * It is not allowed to initialize an already locked mutex. */ 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); 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 。
自旋锁
自旋锁也是实现保护共享资源的一种锁机制，与互斥锁比较类似，都是为了解决对某资源的互斥使用。无论是互斥锁还是自旋锁，在任何时刻最多只有一个保持者。也就是说，任何时刻最多只有一个执行单元获得锁。两者的不同之处是，对于互斥锁而言，如果资源已经被占用，其它的资源申请进程只能进入sleep状态。但是自旋锁不会引起调用者sleep，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等待该自旋锁的保持者是否释放该锁。
自旋锁一般原理
跟互斥锁一样，一个执行单元要想访问被自旋锁保护的共享资源，必须先得到锁，在访问完共享资源后，必须释放锁。如果在获取自旋锁时，没有任何执行单元保持该锁，那么将立即得到锁；如果在获取自旋锁时锁已经有保持者，那么获取锁操作将自旋在那里，直到该自旋锁的保持者释放了锁。由此我们可以看出，自旋锁是一种比较低级的保护数据结构或代码片段的原始方式，这种锁可能存在两个问题：死锁和过多占用cpu资源。
自旋锁适用情况
自旋锁比较适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况，正是由于自旋锁使用者一般保持较短的锁时间，因此选择自选而不是睡眠是非常必要的，因为自旋锁的效率远高于互斥锁。信号量和读写信号量适用于保持时间较长的情况，它们会导致调用者sleep，因此只能在进程上下文使用。而自旋锁适合于保持时间非常短的情况，它可以再任何上下文使用。如果被保护的共享资源只在进程上下文访问，使用信号量保护该共享资源非常合适，如果对共享资源的访问时间非常短，自旋锁也可以。但是如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。自旋锁保持期间是抢占失效的，而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的。自旋锁只有在内核可抢占或SMP（多处理器）的情况下才真正需要，在单CPU且不可抢占的内核下，自旋锁的所有操作都是空操作。另外格外注意一点：自旋锁不能递归使用。
自旋锁的定义及相关API
自旋锁定义的文件（Linux/Spinlock.h）
typedef struct spinlock { union { //联合 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; |
定义和初始化操作：
spinlock_t my_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
void spin_lock_init(spinlock_t *lock);
自旋锁操作：
//加锁一个自旋锁函数 void spin_lock(spinlock_t *lock); //获取指定的自旋锁 void spin_lock_irq(spinlock_t *lock); //禁止本地中断获取指定的锁 void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags); //保存本地中断的状态,禁止本地中断,并获取指定的锁 void spin_lock_bh(spinlock_t *lock) //安全地避免死锁, 而仍然允许硬件中断被服务 //释放一个自旋锁函数 void spin_unlock(spinlock_t *lock); //释放指定的锁 void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock); //释放指定的锁,并激活本地中断 void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags); //释放指定的锁,并让本地中断恢复到以前的状态 void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock); //对应于spin_lock_bh //非阻塞锁 int spin_trylock(spinlock_t *lock); //试图获得某个特定的自旋锁,如果该锁已经被争用,该方法会立刻返回一个非0值, //而不会自旋等待锁被释放,如果成果获得了这个锁,那么就返回0. int spin_trylock_bh(spinlock_t *lock); //这些函数成功时返回非零( 获得了锁 ), 否则 0. 没有"try"版本来禁止中断. //其他 int spin_is_locked(spinlock_t *lock); //和try_lock()差不多 |
信号量、互斥锁和自旋锁的区别
信号量。互斥锁允许进程sleep属于睡眠锁，自旋锁不允许调用者sleep，而是让其循环等待，所以有以下区别应用：
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；
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；
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：
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；
占用信号量的同时不能占用自旋锁，因为在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。
信号量和互斥锁的区别
1、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。
2、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。
3、使用场所：
信号量主要适用于进程间通信，当然，也可用于线程间通信。而互斥锁只能用于线程间通信。
