信号量机制中的DOWN操作与UP操作详解

DOWN操作：linux内核中，对信号量的DOWN操作有如下几种：

• void down(struct semaphore *sem); //不可中断
• int down_interruptible(struct semaphore *sem);//可中断
• int down_killable(struct semaphore *sem);//睡眠的进程可以因为受到致命信号而被唤醒，中断获取信号量的操作。
• int down_trylock(struct semaphore *sem);//试图获取信号量，若无法获得则直接返回1而不睡眠。返回0则 表示获取到了信号量
• int down_timeout(struct semaphore *sem,long jiffies);//表示睡眠时间是有限制的，如果在jiffies指明的时间到期时仍然无法获得信号量，则将返回错误码。

在以上四种函数中，驱动程序使用的最频繁的就是down_interruptible函数，以下将对该函数进行分析。

down_interruptible函数的定义如下：

int down_interruptible(struct semaphore *sem)
{
       unsigned long flags;
       int result = 0;
       spin_lock_irqsave(&sem->lock,flags);
       if (likely(sem->count> 0))
              sem->count--;
       else
              result =__down_interruptible(sem);
       spin_unlock_irqrestore(&sem->lock,flags);
       return result;
}

函数分析：函数首先通过spin_lock_irqsave的调用来保证对sem->count操作的原子性。如果count>0，表示当前进程可以获得信号量，将count的值减1然后退出。如果count不大于0，表明当前进程无法获取信号量,则调用__down_interruptible，后者会继续调用__down_common。

__down_common 函数定义如下：

static inline int __sched __down_common(struct semaphore *sem, longstate,
                                                        longtimeout)
{
       struct task_struct *task= current;
       struct semaphore_waiterwaiter;
       list_add_tail(&waiter.list,&sem->wait_list);
       waiter.task = task;
       waiter.up = 0; 
       for (;;) {
              if(signal_pending_state(state, task))
                     gotointerrupted;
              if (timeout <=0)
                     gototimed_out;
              __set_task_state(task,state);
              spin_unlock_irq(&sem->lock);
              timeout =schedule_timeout(timeout);
              spin_lock_irq(&sem->lock);
              if (waiter.up)
                     return 0;
       } 
 timed_out:
       list_del(&waiter.list);
       return -ETIME;
 interrupted:
       list_del(&waiter.list);
       return -EINTR;
}

函数分析：在__down_common函数数执行了以下操作。

(1)将当前进程放到信号量成员变量wait_list所管理的队列中。

(2)在一个for循环中把当前的进程状态这是为TASK_INTERRUPTIBLE,在调用schedule_timeout使当前进程进入睡眠状态，函数将停留在schedule_timeout调用上，知道再次被调度执行。

(3) 当该进程再一次被调度时，按原因执行相应的操作：如果waiter.up不为0说明进程被该信号量的up操作所唤醒，进程可以获得信号量。如果进程是因为被用户空间的信号所中断或超时信号所引起的唤醒，则返回相应的错误代码。 

UP操作：LINUX内核只提供了一个up函数

up函数定义如下：

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);
}

函数分析：如果sem的wait_list队列为空，则表明没有其他进程正在等待该信号量，那么只需要把sem的count加1即可。如果wait_list队列不为空，则说明有其他进程正睡眠在wait_list上等待该信号，此时调用__up(sem)来唤醒进程：

__up()函数定义如下：

static noinline void __sched __up(struct semaphore *sem)
{
       struct semaphore_waiter*waiter = list_first_entry(&sem->wait_list,
                                          structsemaphore_waiter, list);
       list_del(&waiter->list);
       waiter->up = 1;
       wake_up_process(waiter->task);
}

函数分析:在函数中，调用了wake_up_process来唤醒进程，这样进程就从之前的__down_interruptible调用中的timeout=schedule_timeout(timeout)处醒来，wait-up=1, __down_interruptible返回0，进程获得了信号量。

up()与down()函数之间的联系：由上面对两个函数的分析可以知道，__down_common函数中timeout=schedule_timeout(timeout) 有着很重要的作用。