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 信號(hào)量(Semaphore)是一種實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信的機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)間同步或共享資源的互斥訪問。一個(gè)信號(hào)量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，通常有一個(gè)計(jì)數(shù)值，用于對(duì)有效資源數(shù)的計(jì)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(hào)量和以互斥為目的的信號(hào)量在使用上存在差異。本文通過分析鴻蒙輕內(nèi)核信號(hào)量模塊的源碼，掌握信號(hào)量使用上的差異。

接下來，我們看下信號(hào)量的結(jié)構(gòu)體，信號(hào)量初始化，信號(hào)量常用操作的源代碼。

1、信號(hào)量結(jié)構(gòu)體定義和常用宏定義

1.1 信號(hào)量結(jié)構(gòu)體定義

在文件kernel\include\los_sem.h定義的信號(hào)量控制塊結(jié)構(gòu)體為L(zhǎng)osSemCB，結(jié)構(gòu)體源代碼如下。信號(hào)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(hào)量狀態(tài) */ 
    UINT16 semCount;     /**< 可用的信號(hào)量數(shù)量 */ 
    UINT16 maxSemCount;  /**< 可用的信號(hào)量最大數(shù)量 */ 
    UINT16 semID;        /**< 信號(hào)量Id */ 
    LOS_DL_LIST semList; /**< 阻塞在該信號(hào)量的任務(wù)鏈表 */ 
} LosSemCB; 

 1.2 信號(hào)量常用宏定義

系統(tǒng)支持創(chuàng)建多少信號(hào)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(gè)信號(hào)量semId是UINT32類型的，取值為[0,LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT)，表示信號(hào)量池中各個(gè)的信號(hào)量的編號(hào)。

⑴處的宏表示二值信號(hào)量的最大值為1，⑵處、⑶處的宏表示信號(hào)量未使用、使用狀態(tài)值。⑷處根據(jù)信號(hào)量阻塞任務(wù)雙向鏈表中的鏈表節(jié)點(diǎn)指針ptr獲取信號(hào)量控制塊結(jié)構(gòu)體指針。⑸處從信號(hào)量池中獲取指定信號(hào)量semId對(duì)應(yīng)的信號(hào)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(hào)量初始化

信號(hào)量在內(nèi)核中默認(rèn)開啟，用戶可以通過宏LOSCFG_BASE_IPC_SEM進(jìn)行關(guān)閉。開啟信號(hào)量的情況下，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，在kernel\src\los_init.c中調(diào)用OsSemInit()進(jìn)行信號(hào)量模塊初始化。

下面，我們分析下信號(hào)量初始化的代碼。

⑴初始化雙向循環(huán)鏈表g_unusedSemList，維護(hù)未使用的信號(hào)量池。⑵為信號(hào)量池申請(qǐng)內(nèi)存，如果申請(qǐng)失敗，則返回錯(cuò)誤。⑶循環(huán)每一個(gè)信號(hào)量進(jìn)行初始化，為每一個(gè)信號(hào)量節(jié)點(diǎn)指定索引semID，把.semStat設(shè)置為未使用OS_SEM_UNUSED，并執(zhí)行⑷把信號(hào)量節(jié)點(diǎn)插入未使用信號(hào)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(hào)量常用操作

3.1 信號(hào)量創(chuàng)建

我們可以使用函數(shù)LOS_SemCreate(UINT16 count, UINT32 *semHandle)來創(chuàng)建計(jì)數(shù)信號(hào)量，使用UINT32 LOS_BinarySemCreate(UINT16 count, UINT32 *semHandle)創(chuàng)建二值信號(hào)量，下面通過分析源碼看看如何創(chuàng)建信號(hào)量的。

2個(gè)函數(shù)的傳入?yún)?shù)一樣，需要傳入信號(hào)量的數(shù)量count，和保存信號(hào)量編號(hào)的semHandle。計(jì)數(shù)信號(hào)量的最大數(shù)量為OS_SEM_COUNTING_MAX_COUNT，二值信號(hào)量的最大數(shù)量為OS_SEM_BINARY_MAX_COUNT。會(huì)進(jìn)一步調(diào)用函數(shù)OsSemCreate()實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(hào)量的函數(shù)OsSemCreate()，需要3個(gè)參數(shù)，創(chuàng)建的信號(hào)量的數(shù)量，最大數(shù)量，以及信號(hào)量編號(hào)。

⑴判斷g_unusedSemList是否為空，還有可以使用的信號(hào)量資源?如果沒有可以使用的信號(hào)量，調(diào)用函數(shù)OsSemInfoGetFullDataHook()做些調(diào)測(cè)相關(guān)的檢測(cè)，這個(gè)函數(shù)需要開啟調(diào)測(cè)開關(guān)，后續(xù)系列專門分析。

⑵處如果g_unusedSemList不為空，則獲取第一個(gè)可用的信號(hào)量節(jié)點(diǎn)，接著從雙向鏈表g_unusedSemList中刪除，然后調(diào)用宏GET_SEM_LIST獲取LosSemCB *semCreated

，初始化創(chuàng)建的信號(hào)量信息，包含信號(hào)量的狀態(tài)、信號(hào)量數(shù)量，信號(hào)量最大數(shù)量等信息。⑶初始化雙向鏈表&semCreated->semList，阻塞在這個(gè)信號(hào)量上的任務(wù)會(huì)掛在這個(gè)鏈表上。⑷賦值給輸出參數(shù)*semHandle，后續(xù)程序使用這個(gè)信號(hào)量編號(hào)對(duì)信號(hào)量進(jìn)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(hào)量刪除

我們可以使用函數(shù)LOS_semDelete(UINT32 semHandle)來刪除信號(hào)量，下面通過分析源碼看看如何刪除信號(hào)量的。

⑴處判斷信號(hào)量semHandle是否超過LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT，如果超過則返回錯(cuò)誤碼。如果信號(hào)量編號(hào)沒有問題，獲取信號(hào)量控制塊LosSemCB *semDeleted。⑵處判斷要?jiǎng)h除的信號(hào)量的狀態(tài)，如果處于未使用狀態(tài)，則跳轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤標(biāo)簽ERR_HANDLER:進(jìn)行處理。⑶如果信號(hào)量的阻塞任務(wù)列表不為空，不允許刪除，跳轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤標(biāo)簽進(jìn)行處理。⑷處如果信號(hào)量可用刪除，則會(huì)把.semStat設(shè)置為未使用OS_SEM_UNUSED，并把信號(hào)量節(jié)點(diǎn)插入未使用信號(hào)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(hào)量申請(qǐng)

我們可以使用函數(shù)UINT32 LOS_SemPend(UINT32 semHandle, UINT32 timeout)來請(qǐng)求信號(hào)量，需要的2個(gè)參數(shù)分別是信號(hào)量semHandle和等待時(shí)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(qǐng)求信號(hào)量的。

申請(qǐng)信號(hào)量時(shí)首先會(huì)進(jìn)行信號(hào)量編號(hào)、參數(shù)的合法性校驗(yàn)。⑴處代碼表示信號(hào)量如果大于配置的最大值，則返回錯(cuò)誤碼。⑵處獲取要申請(qǐng)的信號(hào)量控制塊semPended。⑶處調(diào)用函數(shù)對(duì)信號(hào)量控制塊進(jìn)行校驗(yàn)，如果信號(hào)量未創(chuàng)建，處于中斷處理期間，處于鎖任務(wù)調(diào)度期間，則返回錯(cuò)誤碼。⑷處如果校驗(yàn)不通過，跳轉(zhuǎn)到ERROR_SEM_PEND:標(biāo)簽停止信號(hào)量的申請(qǐng)。

⑸如果信號(hào)量計(jì)數(shù)大于0，信號(hào)量計(jì)數(shù)減1，返回申請(qǐng)成功的結(jié)果。⑹如果信號(hào)量計(jì)數(shù)等于0，并且零等待時(shí)間timeout，則返回結(jié)果碼LOS_ERRNO_SEM_UNAVAILABLE。⑺如果申請(qǐng)的信號(hào)量被全部占用，需要等待時(shí)，把當(dāng)前任務(wù)阻塞的信號(hào)量.taskSem標(biāo)記為申請(qǐng)的信號(hào)量，然后調(diào)用函數(shù)OsSchedTaskWait()，該函數(shù)詳細(xì)代碼上文已分析，把當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)設(shè)置為阻塞狀態(tài)，加入信號(hào)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(wù)狀態(tài)為OS_TASK_STATUS_PEND_TIME，并且設(shè)置waitTimes等待時(shí)間。⑻處觸發(fā)任務(wù)調(diào)度進(jìn)行任務(wù)切換，暫時(shí)不執(zhí)行后續(xù)代碼。

如果等待時(shí)間超時(shí)，信號(hào)量還不可用，本任務(wù)獲取不到信號(hào)量時(shí)，繼續(xù)執(zhí)行⑼，更改任務(wù)狀態(tài)，返回錯(cuò)誤碼。如果信號(hào)量可用，執(zhí)行⑽，本任務(wù)獲取到信號(hào)量，返回申請(qǐng)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(hào)量釋放

我們可以使用函數(shù)UINT32 LOS_semPost(UINT32 semHandle)來釋放信號(hào)量，下面通過分析源碼看看如何釋放信號(hào)量的。

釋放信號(hào)量時(shí)首先會(huì)進(jìn)行信號(hào)量編號(hào)、參數(shù)的合法性校驗(yàn)，這些比較簡(jiǎn)單，自行閱讀即可。⑴處驗(yàn)判斷是否信號(hào)量溢出。⑵如果信號(hào)量的任務(wù)阻塞鏈表不為空，執(zhí)行⑶從阻塞鏈表中獲取第一個(gè)任務(wù)，設(shè)置.taskSem為NULL，不再阻塞信號(hào)量。執(zhí)行⑷把獲取到信號(hào)量的任務(wù)調(diào)整其狀態(tài)，并加入就行隊(duì)列。⑸觸發(fā)任務(wù)調(diào)度進(jìn)行任務(wù)切換。⑹如果信號(hào)量的任務(wù)阻塞鏈表為空，則把信號(hào)量的計(jì)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(hào)量使用總結(jié)

4.1 計(jì)數(shù)信號(hào)量、二值信號(hào)量和互斥鎖

計(jì)數(shù)信號(hào)量和二值信號(hào)量唯一的區(qū)別就是信號(hào)量的初始數(shù)量不一致，二值信號(hào)量初始數(shù)量只能為0和1，計(jì)數(shù)信號(hào)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(hào)量，在實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界資源的獨(dú)占式處理、互斥場(chǎng)景時(shí)，沒有本質(zhì)的區(qū)別。比對(duì)下二值的結(jié)構(gòu)體，互斥鎖的成員變量.muxCount表示加鎖的次數(shù)，信號(hào)量的成員變量.semCount表示信號(hào)量的計(jì)數(shù)，含義稍有不同。

4.2 信號(hào)量的互斥和同步

信號(hào)量可用用于互斥和同步兩種場(chǎng)景，以同步為目的的信號(hào)量和以互斥為目的的信號(hào)量在使用上，有如下不同：

• 用于互斥的信號(hào)量

初始信號(hào)量計(jì)數(shù)值不為0，表示可用的共享資源個(gè)數(shù)。在需要使用共享資源前，先獲取信號(hào)量，然后使用一個(gè)共享資源，使用完畢后釋放信號(hào)量。這樣在共享資源被取完，即信號(hào)量計(jì)數(shù)減至0時(shí)，其他需要獲取信號(hào)量的任務(wù)將被阻塞，從而保證了共享資源的互斥訪問。對(duì)信號(hào)量的申請(qǐng)和釋放，需要成對(duì)出現(xiàn)，在同一個(gè)任務(wù)里完成申請(qǐng)和釋放。

• 用于同步的信號(hào)量

多任務(wù)同時(shí)訪問同一份共享資源時(shí)，會(huì)導(dǎo)致沖突，這時(shí)候就需要引入任務(wù)同步機(jī)制使得各個(gè)任務(wù)按業(yè)務(wù)需求一個(gè)一個(gè)的對(duì)共享資源進(jìn)行有序訪問操作。任務(wù)同步的實(shí)質(zhì)就是任務(wù)按需進(jìn)行排隊(duì)。

用于同步的信號(hào)量，初始信號(hào)量計(jì)數(shù)值為0。任務(wù)1申請(qǐng)信號(hào)量而阻塞，直到任務(wù)2或者某中斷釋放信號(hào)量，任務(wù)1才得以進(jìn)入Ready或Running態(tài)，從而達(dá)到了任務(wù)間的同步。信號(hào)量的能不能申請(qǐng)成功，依賴其他任務(wù)是否釋放信號(hào)量，申請(qǐng)和釋放在不同的任務(wù)里完成。

小結(jié)

本文帶領(lǐng)大家一起剖析了鴻蒙輕內(nèi)核的信號(hào)量模塊的源代碼，包含信號(hào)量的結(jié)構(gòu)體、信號(hào)量池初始化、信號(hào)量創(chuàng)建刪除、申請(qǐng)釋放等。感謝閱讀!

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