深入理解Linux信号量：从基础到内核实现

"这篇文档是关于Linux信号量的全面学习资料，主要讲解了信号量的概念、分类以及内核信号量的结构。通过20页的内容，深入浅出地阐述了如何利用信号量来保护共享资源，确保多线程环境下全局变量和文件操作的正确性。" 在操作系统中，信号量是一种重要的同步机制，特别是在多线程和多进程环境中。它主要用于管理和控制对共享资源的访问，确保在任何时刻只有一个进程或线程能够访问这些资源。信号量的值可以理解为资源的可用状态：正值表示资源可用，值为0则表示资源被占用，负值表示有等待的进程。 Linux提供了两种类型的信号量：内核信号量和用户态信号量。内核信号量主要由内核控制路径使用，当进程尝试获取已被占用的资源时，它会挂起该进程，直到资源释放。用户态信号量则分为POSIX信号量和System V信号量，其中POSIX信号量又分为有名和无名两种。有名信号量的值存储在文件系统中，可用于进程间同步，而无名信号量的值保存在内存中，适用于线程间的同步。 内核信号量的核心数据结构是`struct semaphore`，包含原子计数器`count`、睡眠标志`sleepers`和等待队列头`wait_queue_head_t wait`。`count`字段记录了信号量的当前值，`sleepers`标记是否有进程正在等待，而`wait`则包含了等待资源的进程链表。 等待队列在内核信号量中扮演了关键角色。当进程因为资源不可用而被挂起时，它会被添加到等待队列中。当资源释放后，进程会被从等待队列移到工作队列，等待被调度执行。不过，被唤醒的进程并不立即执行，而是根据优先级和调度策略在合适的时机获得CPU资源。 信号量是Linux中一种强大的同步工具，用于解决并发环境中的资源竞争问题。理解并熟练掌握信号量的使用，对于编写高效、安全的多线程程序至关重要。通过学习这篇文档，开发者可以深入了解信号量的工作原理及其在实际操作中的应用。