4. 8.1信号量
进程间对共享资源的互斥访问是通过“信号量”机制来实现的。信号量机制是操作系统教材中比较重要的内容之一。Linux内核中提供了两个函数down()和up（），分别对应于操作系统教材中的P、V操作。
信号量在内核中定义为semaphore数据结构，其位于include/i386/semaphore.h：
| struct semaphore { atomic_t count; int sleepers; wait_queue_head_t wait; #if WAITQUEUE_DEBUG long __magic; #endif }; |
其中的count域就是“信号量”中的那个“量”，它代表着可用资源的数量。如果该值大于0，那么资源就是空闲的，也就是说，该资源可以使用。相反，如果count小于0，那么这个信号量就是繁忙的，也就是说，这个受保护的资源现在不能使用。在后一种情况下，count的绝对值表示了正在等待这个资源的进程数。该值为0表示有一个进程正在使用这个资源，但没有其他进程在等待这个资源。
Wait域存放等待链表的地址，该链表中包含正在等待这个资源的所有睡眠的进程。当然，如果count大于或等于0，则等待队列为空。为了明确表示等待队列中正在等待的进程数，引入了计数器sleepers。
down()和up()函数主要应用在文件系统和驱动程序中，把要保护的临界区放在这两个函数中间，用法如下：
down();
临界区
up();
这两个函数是用嵌入式汇编实现的，非常麻烦，在此不予详细介绍。
4.8.2原子操作
避免干扰的最简单方法就是保证操作的原子性，即操作必须在一条单独的指令内执行。有两种类型的原子操作，即位图操作和数学的加减操作。
1．位图操作
在内核的很多地方用到位图，例如内存管理中对空闲页的管理，位图还有一个广泛的用途就是简单的加锁，例如提供对打开设备的互斥访问。关于位图的操作函数如下：
以下函数的参数中，addr指向位图。
void set_bit(int nr, volatile void *addr)：设置位图的第nr位。
void clear_bit(int nr, volatile void *addr): 清位图的第nr位
void change_bit(int nr, volatile void *addr): 改变位图的第nr位
int test_and_set_bit(int nr, volatile void *addr): 设置第nr位，并返回该位原来的值，且两个操作是原子操作，不可分割。
int test_and_clear_bit(int nr, volatile void *addr): 清第nr为，并返回该位原来的值，且两个操作是原子操作。
int test_and_change_bit(int nr, volatile void *addr)：改变第nr位，并返回该位原来的值，且这两个操作是原子操作。
这些操作利用了LOCK_PREFIX宏，对于SMP内核，该宏是总线锁指令的前缀，对于单CPU这个宏不起任何作用。这就保证了在SMP环境下访问的原子性。
2．算术操作
有时候位操作是不方便的，取而代之的是需要执行算术操作，即加、减操作及加1、减1操作。典型的例子是很多数据结构中的引用计数域count（如inode结构）。这些操作的原子性是由atomic_t数据类型和表4.14中的函数保证的。atomic_t的类型在include/ i386/atomic.h定义如下：
typedef struct { volatile int counter; } atomic_t;
4.8.3 自旋锁、读写自旋锁和大读者自旋锁
在Linux开发的早期，开发者就面临这样的问题，即不同类型的上下文（用户进程对中断）如何访问共享的数据，以及如何访问来自多个CPU同一上下文的不同实例。
在Linux内核中，临界区的代码或者是由进程上下文来执行，或者是由中断上下文来执行。在单CPU上，可以用cli/sti指令来保护临界区的使用，例如：
unsigned long flags;
save_flags(flags);
cli();
/* critical code */
restore_flags(flags);
但是，在SMP上，这种方法明显是没有用的，因为同一段代码序列可能由另一个进程同时执行,而cli()仅仅能单独地为每个CPU上的中断上下文提供对竟争资源的保护，它无法对运行在不同CPU上的上下文提供对竟争资源的访问。因此，必须用到自旋锁。
所谓自旋锁，就是当一个进程发现锁被另一个进程锁着时，它就不停地“旋转”，不断执行一个指令的循环直到锁打开。自旋锁只对SMP有用，对单CPU没有意义。
有三种类型的自旋锁：基本的、读写以及大读者自旋锁。读写自旋锁适用于“多个读者少数写者”的场合，例如，有多个读者仅有一个写者，或者没有读者只有一个写者。大读者自旋锁是读写自旋锁的一种，但更照顾读者。大读者自旋锁现在主要用在Sparc64和网络系统中。
