鴻蒙輕內核M核源碼分析系列十一 信號量Semaphore
信號量(Semaphore)是一種實現(xiàn)任務間通信的機制，可以實現(xiàn)任務間同步或共享資源的互斥訪問。一個信號量的數(shù)據(jù)結構中，通常有一個計數(shù)值，用于對有效資源數(shù)的計數(shù)，表示剩下的可被使用的共享資源數(shù)。以同步為目的的信號量和以互斥為目的的信號量在使用上存在差異。本文通過分析鴻蒙輕內核信號量模塊的源碼，掌握信號量使用上的差異。
接下來，我們看下信號量的結構體，信號量初始化，信號量常用操作的源代碼。
1、信號量結構體定義和常用宏定義
1.1 信號量結構體定義
在文件kernel\include\los_sem.h定義的信號量控制塊結構體為LosSemCB，結構體源代碼如下。信號量狀態(tài).semStat取值OS_SEM_UNUSED、OS_SEM_USED，其他成員變量的注釋見注釋部分。
- typedef struct {
- UINT16 semStat; /**< 信號量狀態(tài) */
- UINT16 semCount; /**< 可用的信號量數(shù)量 */
- UINT16 maxSemCount; /**< 可用的信號量最大數(shù)量 */
- UINT16 semID; /**< 信號量Id */
- LOS_DL_LIST semList; /**< 阻塞在該信號量的任務鏈表 */
- } LosSemCB;
1.2 信號量常用宏定義
系統(tǒng)支持創(chuàng)建多少信號量是根據(jù)開發(fā)板情況使用宏LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT定義的，每一個信號量semId是UINT32類型的，取值為[0,LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT)，表示信號量池中各個的信號量的編號。
⑴處的宏表示二值信號量的最大值為1，⑵處、⑶處的宏表示信號量未使用、使用狀態(tài)值。⑷處根據(jù)信號量阻塞任務雙向鏈表中的鏈表節(jié)點指針ptr獲取信號量控制塊結構體指針。⑸處從信號量池中獲取指定信號量semId對應的信號量控制塊。
- ⑴ #define OS_SEM_BINARY_MAX_COUNT 1
- ⑵ #define OS_SEM_UNUSED 0
- ⑶ #define OS_SEM_USED 1
- ⑷ #define GET_SEM_LIST(ptr) LOS_DL_LIST_ENTRY(ptr, LosSemCB, semList)
- ⑸ #define GET_SEM(semid) (((LosSemCB *)g_allSem) + (semid))
2、信號量初始化
信號量在內核中默認開啟，用戶可以通過宏LOSCFG_BASE_IPC_SEM進行關閉。開啟信號量的情況下，在系統(tǒng)啟動時，在kernel\src\los_init.c中調用OsSemInit()進行信號量模塊初始化。
下面，我們分析下信號量初始化的代碼。
⑴初始化雙向循環(huán)鏈表g_unusedSemList，維護未使用的信號量池。⑵為信號量池申請內存，如果申請失敗，則返回錯誤。⑶循環(huán)每一個信號量進行初始化，為每一個信號量節(jié)點指定索引semID，把.semStat設置為未使用OS_SEM_UNUSED，并執(zhí)行⑷把信號量節(jié)點插入未使用信號量雙向鏈表g_unusedSemList。
- LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsSemInit(VOID)
- {
- LosSemCB *semNode = NULL;
- UINT16 index;
- ⑴ LOS_ListInit(&g_unusedSemList);
- if (LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT == 0) {
- return LOS_ERRNO_SEM_MAXNUM_ZERO;
- }
- ⑵ g_allSem = (LosSemCB *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0, (LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT * sizeof(LosSemCB)));
- if (g_allSem == NULL) {
- return LOS_ERRNO_SEM_NO_MEMORY;
- }
- ⑶ for (index = 0; index < LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT; index++) {
- semNode = ((LosSemCB *)g_allSem) + index;
- semNode->semID = index;
- semNode->semStat = OS_SEM_UNUSED;
- ⑷ LOS_ListTailInsert(&g_unusedSemList, &semNode->semList);
- }
- return LOS_OK;
- }
3、信號量常用操作
3.1 信號量創(chuàng)建
我們可以使用函數(shù)LOS_SemCreate(UINT16 count, UINT32 *semHandle)來創(chuàng)建計數(shù)信號量，使用UINT32 LOS_BinarySemCreate(UINT16 count, UINT32 *semHandle)創(chuàng)建二值信號量，下面通過分析源碼看看如何創(chuàng)建信號量的。
2個函數(shù)的傳入?yún)?shù)一樣，需要傳入信號量的數(shù)量count，和保存信號量編號的semHandle。計數(shù)信號量的最大數(shù)量為OS_SEM_COUNTING_MAX_COUNT，二值信號量的最大數(shù)量為OS_SEM_BINARY_MAX_COUNT。會進一步調用函數(shù)OsSemCreate()實現(xiàn)信號量的創(chuàng)建，下文繼續(xù)分析。
- LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 LOS_SemCreate(UINT16 count, UINT32 *semHandle)
- {
- return OsSemCreate(count, OS_SEM_COUNTING_MAX_COUNT, semHandle);
- }
- LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 LOS_BinarySemCreate(UINT16 count, UINT32 *semHandle)
- {
- return OsSemCreate(count, OS_SEM_BINARY_MAX_COUNT, semHandle);
- }
我們看看創(chuàng)建信號量的函數(shù)OsSemCreate()，需要3個參數(shù)，創(chuàng)建的信號量的數(shù)量，最大數(shù)量，以及信號量編號。
⑴判斷g_unusedSemList是否為空，還有可以使用的信號量資源?如果沒有可以使用的信號量，調用函數(shù)OsSemInfoGetFullDataHook()做些調測相關的檢測，這個函數(shù)需要開啟調測開關，后續(xù)系列專門分析。
⑵處如果g_unusedSemList不為空，則獲取第一個可用的信號量節(jié)點，接著從雙向鏈表g_unusedSemList中刪除，然后調用宏GET_SEM_LIST獲取LosSemCB *semCreated
，初始化創(chuàng)建的信號量信息，包含信號量的狀態(tài)、信號量數(shù)量，信號量最大數(shù)量等信息。⑶初始化雙向鏈表&semCreated->semList，阻塞在這個信號量上的任務會掛在這個鏈表上。⑷賦值給輸出參數(shù)*semHandle，后續(xù)程序使用這個信號量編號對信號量進行其他操作。
- LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsSemCreate(UINT16 count, UINT16 maxCount, UINT32 *semHandle)
- {
- UINT32 intSave;
- LosSemCB *semCreated = NULL;
- LOS_DL_LIST *unusedSem = NULL;
- UINT32 errNo;
- UINT32 errLine;
- if (semHandle == NULL) {
- return LOS_ERRNO_SEM_PTR_NULL;
- }
- if (count > maxCount) {
- OS_GOTO_ERR_HANDLER(LOS_ERRNO_SEM_OVERFLOW);
- }
- intSave = LOS_IntLock();
- ⑴ if (LOS_ListEmpty(&g_unusedSemList)) {
- LOS_IntRestore(intSave);
- OS_GOTO_ERR_HANDLER(LOS_ERRNO_SEM_ALL_BUSY);
- }
- ⑵ unusedSem = LOS_DL_LIST_FIRST(&(g_unusedSemList));
- LOS_ListDelete(unusedSem);
- semCreated = (GET_SEM_LIST(unusedSem));
- semCreated->semCount = count;
- semCreated->semStat = OS_SEM_USED;
- semCreated->maxSemCount = maxCount;
- ⑶ LOS_ListInit(&semCreated->semList);
- ⑷ *semHandle = (UINT32)semCreated->semID;
- LOS_IntRestore(intSave);
- OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_SEM_CREATE, semCreated);
- return LOS_OK;
- ERR_HANDLER:
- OS_RETURN_ERROR_P2(errLine, errNo);
- }
3.2 信號量刪除
我們可以使用函數(shù)LOS_semDelete(UINT32 semHandle)來刪除信號量，下面通過分析源碼看看如何刪除信號量的。
⑴處判斷信號量semHandle是否超過LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT，如果超過則返回錯誤碼。如果信號量編號沒有問題，獲取信號量控制塊LosSemCB *semDeleted。⑵處判斷要刪除的信號量的狀態(tài)，如果處于未使用狀態(tài)，則跳轉到錯誤標簽ERR_HANDLER:進行處理。⑶如果信號量的阻塞任務列表不為空，不允許刪除，跳轉到錯誤標簽進行處理。⑷處如果信號量可用刪除，則會把.semStat設置為未使用OS_SEM_UNUSED，并把信號量節(jié)點插入未使用信號量雙向鏈表g_unusedSemList。
- LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 LOS_SemDelete(UINT32 semHandle)
- {
- UINT32 intSave;
- LosSemCB *semDeleted = NULL;
- UINT32 errNo;
- UINT32 errLine;
- ⑴ if (semHandle >= (UINT32)LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT) {
- OS_GOTO_ERR_HANDLER(LOS_ERRNO_SEM_INVALID);
- }
- semDeleted = GET_SEM(semHandle);
- intSave = LOS_IntLock();
- ⑵ if (semDeleted->semStat == OS_SEM_UNUSED) {
- LOS_IntRestore(intSave);
- OS_GOTO_ERR_HANDLER(LOS_ERRNO_SEM_INVALID);
- }
- ⑶ if (!LOS_ListEmpty(&semDeleted->semList)) {
- LOS_IntRestore(intSave);
- OS_GOTO_ERR_HANDLER(LOS_ERRNO_SEM_PENDED);
- }
- ⑷ LOS_ListAdd(&g_unusedSemList, &semDeleted->semList);
- semDeleted->semStat = OS_SEM_UNUSED;
- LOS_IntRestore(intSave);
- OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_SEM_DELETE, semDeleted);
- return LOS_OK;
- ERR_HANDLER:
- OS_RETURN_ERROR_P2(errLine, errNo);
- }
3.3 信號量申請
我們可以使用函數(shù)UINT32 LOS_SemPend(UINT32 semHandle, UINT32 timeout)來請求信號量，需要的2個參數(shù)分別是信號量semHandle和等待時間timeout，取值范圍為[0, LOS_WAIT_FOREVER]，單位為Tick。下面通過分析源碼看看如何請求信號量的。
申請信號量時首先會進行信號量編號、參數(shù)的合法性校驗。⑴處代碼表示信號量如果大于配置的最大值，則返回錯誤碼。⑵處獲取要申請的信號量控制塊semPended。⑶處調用函數(shù)對信號量控制塊進行校驗，如果信號量未創(chuàng)建，處于中斷處理期間，處于鎖任務調度期間，則返回錯誤碼。⑷處如果校驗不通過，跳轉到ERROR_SEM_PEND:標簽停止信號量的申請。
⑸如果信號量計數(shù)大于0，信號量計數(shù)減1，返回申請成功的結果。⑹如果信號量計數(shù)等于0，并且零等待時間timeout，則返回結果碼LOS_ERRNO_SEM_UNAVAILABLE。⑺如果申請的信號量被全部占用，需要等待時，把當前任務阻塞的信號量.taskSem標記為申請的信號量，然后調用函數(shù)OsSchedTaskWait()，該函數(shù)詳細代碼上文已分析，把當前任務狀態(tài)設置為阻塞狀態(tài)，加入信號量的阻塞鏈表.semList。如果不是永久等待LOS_WAIT_FOREVER，還需要更改任務狀態(tài)為OS_TASK_STATUS_PEND_TIME，并且設置waitTimes等待時間。⑻處觸發(fā)任務調度進行任務切換，暫時不執(zhí)行后續(xù)代碼。
如果等待時間超時，信號量還不可用，本任務獲取不到信號量時，繼續(xù)執(zhí)行⑼，更改任務狀態(tài)，返回錯誤碼。如果信號量可用，執(zhí)行⑽，本任務獲取到信號量，返回申請成功。
- LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 LOS_SemPend(UINT32 semHandle, UINT32 timeout)
- {
- UINT32 intSave;
- LosSemCB *semPended = NULL;
- UINT32 retErr;
- LosTaskCB *runningTask = NULL;
- ⑴ if (semHandle >= (UINT32)LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT) {
- OS_RETURN_ERROR(LOS_ERRNO_SEM_INVALID);
- }
- ⑵ semPended = GET_SEM(semHandle);
- intSave = LOS_IntLock();
- ⑶ retErr = OsSemValidCheck(semPended);
- if (retErr) {
- ⑷ goto ERROR_SEM_PEND;
- }
- ⑸ if (semPended->semCount > 0) {
- semPended->semCount--;
- LOS_IntRestore(intSave);
- OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_SEM_PEND, semPended, runningTask);
- return LOS_OK;
- }
- ⑹ if (!timeout) {
- retErr = LOS_ERRNO_SEM_UNAVAILABLE;
- goto ERROR_SEM_PEND;
- }
- ⑺ runningTask = (LosTaskCB *)g_losTask.runTask;
- runningTask->taskSem = (VOID *)semPended;
- OsSchedTaskWait(&semPended->semList, timeout);
- LOS_IntRestore(intSave);
- OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_SEM_PEND, semPended, runningTask);
- ⑻ LOS_Schedule();
- intSave = LOS_IntLock();
- ⑼ if (runningTask->taskStatus & OS_TASK_STATUS_TIMEOUT) {
- runningTask->taskStatus &= (~OS_TASK_STATUS_TIMEOUT);
- retErr = LOS_ERRNO_SEM_TIMEOUT;
- goto ERROR_SEM_PEND;
- }
- LOS_IntRestore(intSave);
- ⑽ return LOS_OK;
- ERROR_SEM_PEND:
- LOS_IntRestore(intSave);
- OS_RETURN_ERROR(retErr);
- }
3.4 信號量釋放
我們可以使用函數(shù)UINT32 LOS_semPost(UINT32 semHandle)來釋放信號量，下面通過分析源碼看看如何釋放信號量的。
釋放信號量時首先會進行信號量編號、參數(shù)的合法性校驗，這些比較簡單，自行閱讀即可。⑴處驗判斷是否信號量溢出。⑵如果信號量的任務阻塞鏈表不為空，執(zhí)行⑶從阻塞鏈表中獲取第一個任務，設置.taskSem為NULL，不再阻塞信號量。執(zhí)行⑷把獲取到信號量的任務調整其狀態(tài)，并加入就行隊列。⑸觸發(fā)任務調度進行任務切換。⑹如果信號量的任務阻塞鏈表為空，則把信號量的計數(shù)加1。
- LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 LOS_SemPost(UINT32 semHandle)
- {
- UINT32 intSave;
- LosSemCB *semPosted = GET_SEM(semHandle);
- LosTaskCB *resumedTask = NULL;
- if (semHandle >= LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT) {
- return LOS_ERRNO_SEM_INVALID;
- }
- intSave = LOS_IntLock();
- if (semPosted->semStat == OS_SEM_UNUSED) {
- LOS_IntRestore(intSave);
- OS_RETURN_ERROR(LOS_ERRNO_SEM_INVALID);
- }
- ⑴ if (semPosted->maxSemCount == semPosted->semCount) {
- LOS_IntRestore(intSave);
- OS_RETURN_ERROR(LOS_ERRNO_SEM_OVERFLOW);
- }
- ⑵ if (!LOS_ListEmpty(&semPosted->semList)) {
- ⑶ resumedTask = OS_TCB_FROM_PENDLIST(LOS_DL_LIST_FIRST(&(semPosted->semList)));
- resumedTask->taskSem = NULL;
- ⑷ OsSchedTaskWake(resumedTask);
- LOS_IntRestore(intSave);
- OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_SEM_POST, semPosted, resumedTask);
- ⑸ LOS_Schedule();
- } else {
- ⑹ semPosted->semCount++;
- LOS_IntRestore(intSave);
- OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_SEM_POST, semPosted, resumedTask);
- }
- return LOS_OK;
- }
4、信號量使用總結
4.1 計數(shù)信號量、二值信號量和互斥鎖
計數(shù)信號量和二值信號量唯一的區(qū)別就是信號量的初始數(shù)量不一致，二值信號量初始數(shù)量只能為0和1，計數(shù)信號量的初始值可以為0和大于1的整數(shù)。
互斥鎖可以理解為一種特性的二值信號量，在實現(xiàn)實現(xiàn)對臨界資源的獨占式處理、互斥場景時，沒有本質的區(qū)別。比對下二值的結構體，互斥鎖的成員變量.muxCount表示加鎖的次數(shù)，信號量的成員變量.semCount表示信號量的計數(shù)，含義稍有不同。
4.2 信號量的互斥和同步
信號量可用用于互斥和同步兩種場景，以同步為目的的信號量和以互斥為目的的信號量在使用上，有如下不同：
- 用于互斥的信號量
初始信號量計數(shù)值不為0，表示可用的共享資源個數(shù)。在需要使用共享資源前，先獲取信號量，然后使用一個共享資源，使用完畢后釋放信號量。這樣在共享資源被取完，即信號量計數(shù)減至0時，其他需要獲取信號量的任務將被阻塞，從而保證了共享資源的互斥訪問。對信號量的申請和釋放，需要成對出現(xiàn)，在同一個任務里完成申請和釋放。
- 用于同步的信號量
多任務同時訪問同一份共享資源時，會導致沖突，這時候就需要引入任務同步機制使得各個任務按業(yè)務需求一個一個的對共享資源進行有序訪問操作。任務同步的實質就是任務按需進行排隊。
用于同步的信號量，初始信號量計數(shù)值為0。任務1申請信號量而阻塞，直到任務2或者某中斷釋放信號量，任務1才得以進入Ready或Running態(tài)，從而達到了任務間的同步。信號量的能不能申請成功，依賴其他任務是否釋放信號量，申請和釋放在不同的任務里完成。
小結
本文帶領大家一起剖析了鴻蒙輕內核的信號量模塊的源代碼，包含信號量的結構體、信號量池初始化、信號量創(chuàng)建刪除、申請釋放等。感謝閱讀!
