在上面两个章节对自旋锁和自旋锁死锁进行了学习，自旋锁会让请求的任务原地“自旋”，在等待的过程中会循环检测自旋锁的状态，进而占用系统资源，而本章节要讲解的信号量也是解决竞争的一种常用方法，与自旋锁不同的是，信号量会使等待的线程进入休眠状态，适用于那些占用资源比较久的场合。下面对信号量相关知识的进行讲解。

23.1 信号量

信号量是操作系统中最典型的用于同步和互斥的手段，本质上是一个全局变量，信号量的值表示控制访问资源的线程数，可以根据实际情况来自行设置，如果在初始化的时候将信号量量值设置为大于1，那么这个信号量就是计数型信号量，允许多个线程同时访问共享资源。如果将信号量量值设置为1，那么这个信号量就是二值信号量，同一时间内只允许一个线程访问共享资源，注意！信号量的值不能小于0。当信号量的值为0时，想访问共享资源的线程必须等待，直到信号量大于0时，等待的线程才可以访问。当访问共享资源时，信号量执行“减一”操作，访问完成后再执行“加一”操作。

相比于自旋锁，信号量具有休眠特性，因此适用长时间占用资源的场合，但由于信号量会引起休眠，所以不能用在中断函数中，最后如果共享资源的持有时间比较短，使用信号量的话会造成频繁的休眠，反而带来更多资源的消耗，使用自旋锁反而效果更好。再同时使用信号量和自旋锁的时候，要先获取信号量，再使用自旋锁，因为信号量会导致睡眠。

以现实生活中的银行办理业务为例，银行的业务办理窗口就是共享资源，业务办理窗口的数量就是信号量量值，进入银行之后，客户需要领取相应的排序码，然后在休息区进行等待，可以看作线程的睡眠阶段，当前面的客户办理完业务之后，相应的窗口会空闲出来，可以看作信号量的释放，之后银行会通过广播，提醒下一位客户到指定的窗口进行业务的办理，可以看作线程的唤醒并获取到信号量，访问共享资源的过程。

Linux 内核使用semaphore结构体来表示信号量，该结构体定义在“内核源码/include/linux/semaphore.h”文件内（所以在下一章节的信号量实验中需要加入该头文件），结构体内容如下所示：

 struct semaphore {
     raw_spinlock_t      lock;
     unsigned int        count;
     struct list_head    wait_list;
 };

与信号量相关的 API 函数同样定义在semaphore.h文件内，部分常用API函数如下（表23-1）所示：

函数	描述
DEFINE_SEAMPHORE(name)	定义信号量，并且设置信号量的值为 1。
void sema_init(struct semaphore *sem, int val)	初始化信号量 sem，设置信号量值为 val。
void down(struct semaphore *sem)	获取信号量，不能被中断打断，如ctrl+c
int down_interruptible(struct semaphore *sem)	获取信号量，可以被中断打断，如ctrl+c
void up(struct semaphore *sem)	释放信号量
int down_trylock(struct semaphore *sem);	尝试获取信号量，如果能获取到信号量就获取，并且返回 0。如果不能就返回非 0

表 23-1

至此，关于信号量相关的知识就讲解完成了，上述API函数会在下一小节的实验中用到。

23.2 实验程序的编写

23.2.1 驱动程序编写

本实验对应的网盘路径为：iTOP-RK3568开发板【底板V1.7版本】\03_【iTOP-RK3568开发板】指南教程\02_Linux驱动配套资料\04_Linux驱动例程\18\module。

与之前章节设置标志位，在同一时间内只允许一个任务对共享资源进行访问的方式所不同，本小节将采用信号量的方式避免竞争的产生。本实验设置的信号量量值为1，所以需要在open()函数中加入信号量获取函数，在release()函数中加入信号量释放函数即可。

编写完成的semaphore.c代码如下所示

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/semaphore.h>

struct semaphore semaphore_test;//定义一个semaphore类型的结构体变量semaphore_test
static int open_test(struct inode *inode,struct file *file)
{
	printk("\nthis is open_test \n");
down(&semaphore_test);//信号量数量减1
	return 0;
}

static ssize_t read_test(struct file *file,char __user *ubuf,size_t len,loff_t *off)
{
	int ret;
	char kbuf[10] = "topeet";//定义char类型字符串变量kbuf
	printk("\nthis is read_test \n");
	ret = copy_to_user(ubuf,kbuf,strlen(kbuf));//使用copy_to_user接收用户空间传递的数据
	if (ret != 0){
		printk("copy_to_user is error \n");
	}
	printk("copy_to_user is ok \n");
	return 0;
}
static char kbuf[10] = {0};//定义char类型字符串全局变量kbuf
static ssize_t write_test(struct file *file,const char __user *ubuf,size_t len,loff_t *off)
{
	int ret;
	ret = copy_from_user(kbuf,ubuf,len);//使用copy_from_user接收用户空间传递的数据
	if (ret != 0){
		printk("copy_from_user is error\n");
}
	if(strcmp(kbuf,"topeet") == 0 ){//如果传递的kbuf是topeet就睡眠四秒钟
		ssleep(4);
	}
	else if(strcmp(kbuf,"itop") == 0){//如果传递的kbuf是itop就睡眠两秒钟
		ssleep(2);
	}
	printk("copy_from_user buf is %s \n",kbuf);
	return 0;
}
static int release_test(struct inode *inode,struct file *file)
{
up(&semaphore_test);//信号量数量加1
	printk("\nthis is release_test \n");
	return 0;
}

struct chrdev_test {
       dev_t dev_num;//定义dev_t类型变量dev_num来表示设备号
       int major,minor;//定义int类型的主设备号major和次设备号minor
       struct cdev cdev_test;//定义struct cdev 类型结构体变量cdev_test，表示要注册的字符设备
       struct class *class_test;//定于struct class *类型结构体变量class_test，表示要创建的类
};
struct chrdev_test dev1;//创建chrdev_test类型的
struct file_operations fops_test = {
      .owner = THIS_MODULE,//将owner字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块
      .open = open_test,//将open字段指向open_test(...)函数
      .read = read_test,//将read字段指向read_test(...)函数
      .write = write_test,//将write字段指向write_test(...)函数
      .release = release_test,//将release字段指向release_test(...)函数
};
 

static int __init atomic_init(void)
{
	sema_init(&semaphore_test,1);//初始化信号量结构体semaphore_test，并设置信号量的数量为1
	if(alloc_chrdev_region(&dev1.dev_num,0,1,"chrdev_name") < 0 ){//自动获取设备号，设备名chrdev_name
		printk("alloc_chrdev_region is error \n");
	}
	printk("alloc_chrdev_region is ok \n");
	dev1.major = MAJOR(dev1.dev_num);//使用MAJOR()函数获取主设备号
	dev1.minor = MINOR(dev1.dev_num);//使用MINOR()函数获取次设备号
	printk("major is %d,minor is %d\n",dev1.major,dev1.minor);
	cdev_init(&dev1.cdev_test,&fops_test);//使用cdev_init()函数初始化cdev_test结构体，并链接到fops_test结构体
	dev1.cdev_test.owner = THIS_MODULE;//将owner字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块
	cdev_add(&dev1.cdev_test,dev1.dev_num,1);//使用cdev_add()函数进行字符设备的添加
	dev1.class_test = class_create(THIS_MODULE,"class_test");//使用class_create进行类的创建，类名称为class_test
	device_create(dev1.class_test,0,dev1.dev_num,0,"device_test");//使用device_create进行设备的创建，设备名称为device_test
	return 0;
}

static void __exit atomic_exit(void)
{
	device_destroy(dev1.class_test,dev1.dev_num);//删除创建的设备
	class_destroy(dev1.class_test);//删除创建的类
	cdev_del(&dev1.cdev_test);//删除添加的字符设备cdev_test
	unregister_chrdev_region(dev1.dev_num,1);//释放字符设备所申请的设备号
	printk("module exit \n");
}
module_init(atomic_init);
module_exit(atomic_exit)
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_AUTHOR("topeet");

23.2.2 编写测试 APP

本实验应用程序对应的网盘路径为：iTOP-RK3568开发板【底板V1.7版本】\03_【iTOP-RK3568开发板】指南教程\02_Linux驱动配套资料\04_Linux驱动例程\18\app。

本测试app代码和上一章节相同，需要输入两个参数，第一个参数为对应的设备节点，第二个参数为“topeet”或者“itop”，分别代表向设备写入的数据，编写完成的应用程序app.c内容如下所示：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 #include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;//定义int类型的文件描述符
	char str1[10] = {0};//定义读取缓冲区str1
	fd = open(argv[1],O_RDWR);//调用open函数，打开输入的第一个参数文件，权限为可读可写
	if(fd < 0 ){
		printf("file open failed \n");
		return -1;
	}
	/*如果第二个参数为topeet，条件成立，调用write函数，写入topeet*/    
	if (strcmp(argv[2],"topeet") == 0 ){
		write(fd,"topeet",10);
	}
	/*如果第二个参数为itop，条件成立，调用write函数，写入itop*/  
	else if (strcmp(argv[2],"itop") == 0 ){
		write(fd,"itop",10);
	}
	close(fd); 
	return 0;
}

23.3 运行测试

23.3.1 编译驱动程序

在上一小节中的semaphore.c代码同一目录下创建 Makefile 文件，Makefile 文件内容如下所示：

export ARCH=arm64#设置平台架构
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-#交叉编译器前缀
obj-m += semaphore.o    #此处要和你的驱动源文件同名
KDIR :=/home/topeet/Linux/linux_sdk/kernel    #这里是你的内核目录                                                                                                                            
PWD ?= $(shell pwd)
all:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules    #make操作
clean:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean    #make clean操作

对于Makefile的内容注释已在上图添加，保存退出之后，来到存放semaphore.c和Makefile文件目录下，如下图（图23-2）所示：

图 23-2

然后使用命令“make”进行驱动的编译，编译完成如下图（图23-3）所示：

图 23-3

编译完生成semaphore.ko目标文件，如下图（图23-4）所示：

图 23-4

至此驱动模块就编译成功了，下面进行应用程序的安装。

23.3.2 编译应用程序

来到应用程序app.c文件的存放路径如下图（图 23-5）所示：

图 23-5

然后使用以下命令对app.c进行交叉编译，编译完成如下图（图23-6）所示：

aarch64-linux-gnu-gcc -o app app.c -static

图23-6

生成的app文件就是之后放在开发板上运行的可执行文件，至此应用程序的编译就完成了。

23.3.3 运行测试

开发板启动之后，使用以下命令进行驱动模块的加载，如下图（图 23-7）所示：

insmod semaphore.ko

图 23-7

可以看到申请的主设备号和次设备号就被打印了出来，然后使用以下代码对自动生成的设备节点device_test进行查看，如下图（图23-8）所示：

 ls /dev/device_test

图 23-8

可以看到device_test节点已经被自动创建了，然后使用以下命令运行测试app，运行结果如下图（图23-9）所示：

./app /dev/device_test topeet

图 23-9

可以看到传递的buf值为topeet，然后输入以下命令在后台运行两个app，来进行竞争测试，运行结果如下图（图23-10）所示：

./app /dev/device_test topeet &

./app /dev/device_test itop 

图 23-10

​ 上述打印信息正常，证明数据被正确传递了，没有发生共享资源的竞争，第一个任务运行之后，由于设置的信号量量值为1，所以第二个任务会进入休眠状态，第一个任务执行完毕之后，会唤醒第二个任务去执行，所以避免了并发与竞争。

最后可以使用以下命令进行驱动的卸载，如下图（图 23-11）所示：

rmmod semaphore.ko

图 23-11

至此，信号量实验就完成了。

【最新驱动资料（文档+例程）】

链接 https://pan.baidu.com/s/1M4smUG2vw_hnn0Hye-tkog

提取码：hbh6

【B 站配套视频】

https://b23.tv/XqYa6Hm

【RK3568 购买链接】

https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.5-c-s.w4002-2245

rmmod semaphore.ko

[外链图片转存中…(img-nql99Xd2-1694222692051)]

图 23-11

至此，信号量实验就完成了。

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