信号量与互斥体
- 在linux设备驱动代码中，为了解决竞态问题，途径是：保证对共享资源的互斥访问；所谓互斥访问是指一个执行单元在访问共享资源的时候，其他的执行单元被禁止访问。
- 访问共享资源的代码区域被称为临界区，临界区需要被以某种互斥机制加以保护。中断屏蔽、原子操作、自旋锁、信号量、互斥体等是 Linux 设备驱动中可采用的互斥途径。
信号量
信号量（Semaphore） 是操作系统中最典型的用于同步和互斥手段，信号量的值可以是0，1，n。信号量与操作系统中的PV操作对应。
- P（S）
（1）将信号量S的值减少1，即S = S - 1；
（2）如果S >= 0，则该进程继续执行；否则该进程设置为等待状态，进入等待队列中。 - V（S）
（1）将信号量S的值增加1，即S = S + 1；
（2）如果S > 0，唤醒队列中等待信号量的进程。
在Linux信号量的相关操作如下：
定义信号量
struct semaphore sem; //定义名称为sem的信号量
初始化信号量
void sema_init(struct semaphore *sem,int val); //该函数用于初始化信号量，并将信号量sem的值设置为val
获得信号量
void down(struct semaphore *sem); //获得信号量，会导致睡眠，因此不能在中断上下文中使用
int down_interruptible(struct semaphore *sem);
//功能与down函数类似，但是down()进入状态的进程不能被信号打断
//down_interruptible()进入睡眠状态的进程能被信号打断，信号也会导致该函数返回，这是函数返回值非0
int down_trylock(struct semaphore *sem);
//尝试获取信号量sem，如果能够立即获得，它就获得该信号量并返回0，否则，返回非0值。
//它不会导致调用者睡眠，可以在中断上下文中使用
注意：在使用 down_interruptible() 函数获取信号量时，对返回值一般会进行检查，如果非0，通常立即返回 -ERESTARTSYS，如下：
if( down_interruptible(&sem) )
return -ERESTARTSYS;
释放信号量
void up(struct semaphore *sem); //释放信号量sem，唤醒等待者
作为一种可能的互斥手段，信号量可以保护临界区，它的使用方式和自旋锁类似。与自旋锁相同，只有得到信号量的进程才能执行临界区代码。但是，与自旋锁不同的是，当获取不到信号量时，进程不会在原地打转而是进入休眠等待状态。用作互斥时，信号量一般这样被使用：
在新的Linux内核倾向于直接使用 mutex（互斥体）作为互斥手段，信号量用作互斥不再被推荐使用。
信号量同步
信号量也可以用于同步，一个进程 A 执行 down() 等待信号量，另一个进程 B 执行up() 释放信号量，这样进程 A 就同步地等待进程 B 。过程类似：
对于关心具体数值的生产者/消费者问题，使用信号量较为合适。因为生产者/消费者问题也是一种同步问题。
互斥体
mutex （互斥体）在 Linux 内核中真实存在。
下面代码定义了互斥体并初始化它：
struct mutex my_mutex; //定义互斥体mutex
mutex_init(&my_mutex); //初始化互斥体mutex
下面代码用于获取互斥体：
void mutex_lock(struct mutex *lock); //获取互斥体，进入等待状态,不能被信号打断
int mutex_lock_interruptible(struct mutex *lock); //获取互斥体，进入等待状态，但是可以被信号打断
int mutex_trylock(struct mutex *lock); //用于尝试获取互斥体mutex，获取不到mutex时不会引起进程睡眠
下面代码用于释放互斥体：
void mutex_unlock(struct mutex *lock); //释放互斥体
mutex 的使用方法和信号量用于互斥的场合完全一样，如下：
struct mutex my_mutex; //定义mutex
mutex_init(&my_mutex); //初始化mutex
mutex_lock(&my_mutex); //获取mutex
... //临界资源
mutex_unlock(&my_mutex); //释放mutex
自旋锁与互斥体的使用选择
- 互斥体和自旋锁属于不同层次的互斥手段，前者的实现依赖于后者。在互斥体本身的实现上，为了保证互斥体结构存取的原子性，需要自旋锁来互斥，所以自旋锁属于更底层的手段。
- 互斥体是进程级的，用于多个进程之间对资源的互斥，虽然也是在内核中，但是该内核执行路径是以进程的身份，代表进程来争夺资源的。如果竞争失败，会发生进程上下文交换，当前进程进入睡眠状态，CPU将运行其他进程。鉴于进程上下文切换的开销也很大，因此，只有当进程占用时间较长时，用互斥体才是较好的选择。
- 当所要保护的临界区访问时间较短时，用自旋锁是非常方便的，因为它可节省上下文切换的时间。但是CPU得不到自旋锁会在那里空转直到其他执行单元解锁为止，所以要求锁不能在临界区里长时间停留，否则会降低系统的效率。
因此，自旋锁和互斥体选用3个原则：
- 当锁不能被获取到时，使用互斥体的开销是进程上下文切换时间，使用自旋锁的开销是等待获取自旋锁（由临界区执行时间决定）。若临界区较小，选择自旋锁，若临界区很大，使用互斥体。
- **互斥体所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，另一个进程企图获取本自旋锁，是说就会发生。
- 互斥体存在于进程上下文，因此，如果被保护的共享资源需要在中断或软中断情况西使用，则在互斥体和自旋锁之间只能选择自旋锁。 当然，如果一定要使用互斥体，则只能通过 mutex_trylock() 方式进行，不能获取就立即返回以避免阻塞。
本文查考书籍宋宝华—《Linux设备驱动开发详解-基于最新的Linux 4.0内核》