信号量 | down() | up() | down_trylock() | down_interruptible()

beyes

平台：x86 32位
内核：2.6.24

在 linux 中，P 函数被称为 down ；V 函数被称为 up 。

在进入临界区时，用 down 函数对使用计数器减 1，如果成功调用，则该线程就拥有了信号量，从而被赋予访问由该信号量保护的临界区的权力；当信号量计数器为 0 时，其他进程就不能再进入临界区。

down() 函数定义在 include/asm-x86/Semaphore_32.h 中：

static inline void down(struct semaphore * sem)
{
    might_sleep();
    __asm__ __volatile__(
        "# atomic down operation\n\t"
        LOCK_PREFIX "decl %0\n\t"     /* --sem->count */
        "jns 2f\n"
        "\tlea %0,%%eax\n\t"
        "call __down_failed\n"
        "2:"
        :"+m" (sem->count)
        :
        :"memory","ax");
}

decl %0 : %0 表示 sem->count ，这里信号量计数器减 1。
jns 2f : 成功获取信号量。


lea %0, %%eax : 将信号量结构体指针放到 eax 里。这里需要注意的是，结构体的指针(地址)和结构体第一个元素(sem->count)的地址是一样的。
call __down_failed ：无法获取信号量时调用 __down_failed 函数处理这种情况，__down_failed 函数的参数用 eax 来传递。


如果用 down() 获取不到信号量时，进程进入睡眠，该进程被放到与该信号量关联的等待队列上。同时，该进程被置为 TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态，也就是说处于“非中断”状态，这时候它无法接收信号，这就建立了不可杀进程(ps 命令输出中的 "D state")，这种情况往往让用户感到不爽。


在退出临界区时，必须调用 up() 以释放信号量。该函数的定义为：

static inline void up(struct semaphore * sem)
{
    __asm__ __volatile__(
        "# atomic up operation\n\t"
        LOCK_PREFIX "incl %0\n\t"     /* ++sem->count */
        "jg 1f\n\t"
        "lea %0,%%eax\n\t"
        "call __up_wakeup\n"
        "1:"
        :"+m" (sem->count)
        :
        :"memory","ax");
}

如果 sem->count 为负，那么表明有进程在等待，在加 1 后为 0 ，然后使用函数 __up_wakeup() 函数唤醒因等待信号量而睡眠的某个进程，此后这个进程便可进入临界区，而所有其他仍在等待的进程继续睡眠。


正如上面所说，使用 down() 可能会建立不可杀进程，这会令用户不爽。所以内核还提供了 down_interruptible() 函数，它的工作方式和 down() 相同，它在调用成功时返回 0 值，如果操作被中断则返回非零值。和 down() 不同的是，如果进程无法获得信号量，进程在进入睡眠时是被置为 TASK_INTERRUPTIBLE 状态，这样它可以被信号唤醒。对该函数的正确使用，需要始终检查返回值，并作出相应的响应。


down_trylock() 函数试图获取信号量，如果失败，则进程不会进入睡眠等待信号量，而是继续正常执行。它的定义为：

/*
* Non-blockingly attempt to down() a semaphore.
* Returns zero if we acquired it
*/
static inline int down_trylock(struct semaphore * sem)
{
    int result;

    __asm__ __volatile__(
        "# atomic interruptible down operation\n\t"
        "xorl %0,%0\n\t"
        LOCK_PREFIX "decl %1\n\t"     /* --sem->count */
        "jns 2f\n\t"
        "lea %1,%%eax\n\t"
        "call __down_failed_trylock\n\t"
        "2:\n"
        :"=&a" (result), "+m" (sem->count)
        :
        :"memory");
    return result;
}

从上面的注释也可以看到，如果获取信号量，该函数返回 0 值，否则返回非零值。