ARM Linux 驱动开发篇--- Linux 并发与竞争实验（信号量实现 LED 设备互斥访问）--- Ubuntu20.04信号量实验
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前言
前两期博客我们分别用原子操作（轻量变量保护）、自旋锁（短临界区保护）实现了 LED 设备的互斥访问，但二者都有明显限制：原子操作仅能保护单个整形变量，自旋锁临界区不能包含休眠操作。本次我们引入信号量—— 支持休眠的并发保护机制，可保护任意时长的临界区，是 Linux 驱动中处理 “慢临界区” 的核心方案。
一、实验基础说明
1.1、信号量简介
学过FreeRTOS的小伙伴，对信号量肯定不陌生吧！它本质是一种同步机制，Linux内核也提供了信号量功能，核心作用就是控制共享资源的访问，尤其适合临界区较长的场景。
给大家举个最直观的生活例子，一看就懂：
某个停车场有100个停车位（这就是共享资源），大家都可以来停车。你开车到停车场，肯定要先看一下当前停了多少车、还有没有空位——这个“当前停车数量”，就相当于信号量；具体的停车数量，就是信号量的值。
当信号量值达到100时，说明停车场满了，你只能等着；等有车开出去，停车数量减1（信号量减1），就空出一个车位，你就能开进去，停车数量加1（信号量加1）。这个场景用的，就是计数型信号量。
如下图所示：
再对比一下前面讲的自旋锁，大家就能快速分清两者的区别：
假设A、B、C合租一套房，只有一个厕所（共享资源），一次只能一个人用。某天早上A先去上厕所了，过一会儿B也想用：
- 如果B一直站在厕所门口等，不做其他事，直到A出来——这就是自旋锁（忙等）。
- 如果B告诉A“你出来叫我一声”，然后自己回房间睡觉，等A出来再通知他——这就是信号量（休眠等待）。
从这个例子就能看出信号量的核心优势：不会浪费CPU资源。因为等待的线程会进入休眠，CPU可以去处理其他任务，等资源释放了再唤醒它。
但凡事有得有失，信号量的开销比自旋锁大——因为线程休眠、唤醒会涉及线程切换，这是有性能损耗的。
👉 总结信号量的3个核心特点（记牢！）：
- 支持线程休眠，适合临界区较长、占用资源较久的场景（比如拷贝数据、I/O操作）。
- 不能用于中断上下文！因为中断不能休眠，而信号量会导致线程休眠，用在中断里直接报错。
- 不适合短临界区场景：频繁的线程休眠、切换，开销比自旋锁的“忙等”更大，反而降低系统性能。
再补充一个关键知识点：信号量分两种，按需选择即可：计数型信号量：初始化时信号量值>1，允许多个线程同时访问共享资源（比如停车场100个车位，允许100辆车同时停）。二值信号量：初始化时信号量值=1，只允许一个线程访问共享资源，本质就是简易的互斥（比如厕所，一次只能一个人用）。
简单理解：信号量就像一把把钥匙，信号量值就是钥匙的数量，要访问资源必须先拿一把钥匙（获取信号量），用完再还回去（释放信号量）。钥匙被拿完了，其他人就只能等着。
1.2 本次实验设计思路
信号量支持休眠，因此无需像自旋锁那样 “短临界区保护”，可直接在open函数申请信号量、release函数释放信号量：
初始化信号量计数值为 1（二值信号量），代表 LED 设备空闲；
open函数调用down_interruptible申请信号量：
成功：计数值减为 0，独占 LED 设备；
失败：进程休眠，等待其他进程释放信号量；
release函数调用up释放信号量：计数值恢复为 1，唤醒休眠的进程；
硬件、设备树无需修改，仅替换同步机制为信号量。
实验在此次博客基础上实现：
ARM Linux 驱动开发篇--- Linux 并发与竞争实验（自旋锁实现 LED 设备互斥访问）--- Ubuntu20.04自旋锁实验-ZEEKLOG博客
二、硬件原理分析（看过之前博客的可以忽略）
从图中可以看出，LED0 接到了 GPIO_3 上，GPIO_3 就是 GPIO1_IO03，当 GPIO1_IO03 输出低电平 (0) 的时候发光二极管 LED0 就会导通点亮，当 GPIO1_IO03 输出高电平 (1) 的时候发光二极管 LED0 不会导通，因此 LED0 也就不会点亮。所以 LED0 的亮灭取决于 GPIO1_IO03 的输出电平，输出 0 就亮，输出 1 就灭。
三、实验程序编写
本次实验基于上一节自旋锁的 LED 驱动修改，仅替换同步机制为信号量，硬件和设备树无需修改。把spinlock.c改成 semaphore.c文件。
3.1 信号量 LED 驱动代码（spinlock.c）
重点修改信号量相关逻辑，其余代码复用：
1 #include <linux/types.h> 2 #include <linux/kernel.h> 3 #include <linux/delay.h> 4 #include <linux/ide.h> 5 #include <linux/init.h> 6 #include <linux/module.h> 7 #include <linux/errno.h> 8 #include <linux/gpio.h> 9 #include <linux/cdev.h> 10 #include <linux/device.h> 11 #include <linux/of.h> 12 #include <linux/of_address.h> 13 #include <linux/of_gpio.h> 14 #include <linux/semaphore.h> 15 #include <asm/mach/map.h> 16 #include <asm/uaccess.h> 17 #include <asm/io.h> 18 /*************************************************************** 19 文件名 : semaphore.c 20 版本 : V1.0 21 描述 : 信号量实验，使用信号量来实现对实现设备的互斥访问 22 其他 : 无 23 ***************************************************************/ 24 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */ 25 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */ 26 #define LEDOFF 0 /* 关灯 */ 27 #define LEDON 1 /* 开灯 */ 28 29 30 /* gpioled设备结构体 */ 31 struct gpioled_dev{ 32 dev_t devid; /* 设备号 */ 33 struct cdev cdev; /* cdev */ 34 struct class *class; /* 类 */ 35 struct device *device; /* 设备 */ 36 int major; /* 主设备号 */ 37 int minor; /* 次设备号 */ 38 struct device_node *nd; /* 设备节点 */ 39 int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */ 40 struct semaphore sem; /* 信号量 */ 41 }; 42 43 struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 */ 44 45 /* 46 * @description : 打开设备 47 * @param - inode : 传递给驱动的inode 48 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量 49 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。 50 * @return : 0 成功;其他 失败 51 */ 52 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp) 53 { 54 filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */ 55 56 /* 获取信号量 */ 57 if (down_interruptible(&gpioled.sem)) { /* 获取信号量,进入休眠状态的进程可以被信号打断 */ 58 return -ERESTARTSYS; 59 } 60 #if 0 61 down(&gpioled.sem); /* 不能被信号打断 */ 62 #endif 63 64 return 0; 65 } 66 67 /* 68 * @description : 从设备读取数据 69 * @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符) 70 * @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区 71 * @param - cnt : 要读取的数据长度 72 * @param - offt : 相对于文件首地址的偏移 73 * @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败 74 */ 75 static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) 76 { 77 return 0; 78 } 79 80 /* 81 * @description : 向设备写数据 82 * @param - filp : 设备文件，表示打开的文件描述符 83 * @param - buf : 要写给设备写入的数据 84 * @param - cnt : 要写入的数据长度 85 * @param - offt : 相对于文件首地址的偏移 86 * @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败 87 */ 88 static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) 89 { 90 int retvalue; 91 unsigned char databuf[1]; 92 unsigned char ledstat; 93 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data; 94 95 retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt); 96 if(retvalue < 0) { 97 printk("kernel write failed!\r\n"); 98 return -EFAULT; 99 } 100 101 ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */ 102 103 if(ledstat == LEDON) { 104 gpio_set_value(dev->led_gpio, 0); /* 打开LED灯 */ 105 } else if(ledstat == LEDOFF) { 106 gpio_set_value(dev->led_gpio, 1); /* 关闭LED灯 */ 107 } 108 return 0; 109 } 110 111 /* 112 * @description : 关闭/释放设备 113 * @param - filp : 要关闭的设备文件(文件描述符) 114 * @return : 0 成功;其他 失败 115 */ 116 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp) 117 { 118 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data; 119 120 up(&dev->sem); /* 释放信号量，信号量值加1 */ 121 122 return 0; 123 } 124 125 /* 设备操作函数 */ 126 static struct file_operations gpioled_fops = { 127 .owner = THIS_MODULE, 128 .open = led_open, 129 .read = led_read, 130 .write = led_write, 131 .release = led_release, 132 }; 133 134 /* 135 * @description : 驱动入口函数 136 * @param : 无 137 * @return : 无 138 */ 139 static int __init led_init(void) 140 { 141 int ret = 0; 142 143 /* 初始化信号量 */ 144 sema_init(&gpioled.sem, 1); 145 146 /* 设置LED所使用的GPIO */ 147 /* 1、获取设备节点：gpioled */ 148 gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled"); 149 if(gpioled.nd == NULL) { 150 printk("gpioled node not find!\r\n"); 151 return -EINVAL; 152 } else { 153 printk("gpioled node find!\r\n"); 154 } 155 156 /* 2、 获取设备树中的gpio属性，得到LED所使用的LED编号 */ 157 gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "led-gpio", 0); 158 if(gpioled.led_gpio < 0) { 159 printk("can't get led-gpio"); 160 return -EINVAL; 161 } 162 printk("led-gpio num = %d\r\n", gpioled.led_gpio); 163 164 /* 3、设置GPIO1_IO03为输出，并且输出高电平，默认关闭LED灯 */ 165 ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 1); 166 if(ret < 0) { 167 printk("can't set gpio!\r\n"); 168 } 169 170 /* 注册字符设备驱动 */ 171 /* 1、创建设备号 */ 172 if (gpioled.major) { /* 定义了设备号 */ 173 gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major, 0); 174 register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME); 175 } else { /* 没有定义设备号 */ 176 alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME); /* 申请设备号 */ 177 gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的主设备号 */ 178 gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的次设备号 */ 179 } 180 printk("gpioled major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major, gpioled.minor); 181 182 /* 2、初始化cdev */ 183 gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE; 184 cdev_init(&gpioled.cdev, &gpioled_fops); 185 186 /* 3、添加一个cdev */ 187 cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT); 188 189 /* 4、创建类 */ 190 gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME); 191 if (IS_ERR(gpioled.class)) { 192 return PTR_ERR(gpioled.class); 193 } 194 195 /* 5、创建设备 */ 196 gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL, gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME); 197 if (IS_ERR(gpioled.device)) { 198 return PTR_ERR(gpioled.device); 199 } 200 201 return 0; 202 } 203 204 /* 205 * @description : 驱动出口函数 206 * @param : 无 207 * @return : 无 208 */ 209 static void __exit led_exit(void) 210 { 211 /* 注销字符设备驱动 */ 212 cdev_del(&gpioled.cdev);/* 删除cdev */ 213 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT); /* 注销设备号 */ 214 215 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid); 216 class_destroy(gpioled.class); 217 } 218 219 module_init(led_init); 220 module_exit(led_exit); 221 MODULE_LICENSE("GPL"); 222 MODULE_AUTHOR("duan");3.2、驱动代码分段解析
3.2.1、设备结构体定义（30-41 行）
31 struct gpioled_dev{ 32 dev_t devid; /* 设备号 */ 33 struct cdev cdev; /* cdev */ 34 struct class *class; /* 类 */ 35 struct device *device; /* 设备 */ 36 int major; /* 主设备号 */ 37 int minor; /* 次设备号 */ 38 struct device_node *nd; /* 设备节点 */ 39 int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */ 40 struct semaphore sem; /* 信号量 */ 41 };第 40 行是核心修改点：
在设备结构体中新增struct semaphore sem成员，用于存储信号量实例，作为 LED 设备互斥访问的核心同步对象；
其余成员为字符设备驱动标准成员，负责设备号管理、GPIO 解析、设备节点创建等基础功能。
3.2.2、设备打开函数（52-65 行）
52 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp) 53 { 54 filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */ 55 56 /* 获取信号量 */ 57 if (down_interruptible(&gpioled.sem)) { /* 获取信号量,进入休眠状态的进程可以被信号打断 */ 58 return -ERESTARTSYS; 59 } 60 #if 0 61 down(&gpioled.sem); /* 不能被信号打断 */ 62 #endif 63 64 return 0; 65 }第 54 行：将设备结构体指针赋值给filp->private_data，后续write/release函数可通过该指针访问设备结构体；
第 57-59 行（核心）：
调用down_interruptible申请信号量：
若信号量计数值 > 0（设备空闲）：计数值减 1，函数返回 0，进程继续执行；
若信号量计数值 = 0（设备被占用）：进程进入可中断休眠状态，等待其他进程释放信号量；
若休眠过程中收到信号（如kill指令）：函数返回非 0 值，驱动返回-ERESTARTSYS，避免进程僵死；
第 61 行（注释）：down函数为 “不可中断申请”，进程休眠时无法被信号打断，易导致进程僵死，实际开发中慎用。
3.2.3、设备写操作函数（88-109 行）
88 static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) 89 { 90 int retvalue; 91 unsigned char databuf[1]; 92 unsigned char ledstat; 93 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data; 94 95 retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt); 96 if(retvalue < 0) { 97 printk("kernel write failed!\r\n"); 98 return -EFAULT; 99 } 100 101 ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */ 102 103 if(ledstat == LEDON) { 104 gpio_set_value(dev->led_gpio, 0); /* 打开LED灯 */ 105 } else if(ledstat == LEDOFF) { 106 gpio_set_value(dev->led_gpio, 1); /* 关闭LED灯 */ 107 } 108 return 0; 109 }第 93 行：从filp->private_data取出设备结构体指针；
第 95 行：copy_from_user将用户空间的控制指令（LED 亮 / 灭）拷贝到内核空间，是内核与用户空间数据交互的标准函数；
第 103-107 行：根据用户指令控制 GPIO 电平，实现 LED 亮灭；
该函数无需额外同步：因open函数已通过信号量保证只有一个进程能进入，天然实现互斥。
3.2.4、设备释放函数（116-123 行）
116 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp) 117 { 118 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data; 119 120 up(&dev->sem); /* 释放信号量，信号量值加1 */ 121 122 return 0; 123 }第 120 行（核心）：调用up函数释放信号量，信号量计数值加 1（恢复为 1）；
若有其他进程因申请该信号量而休眠，内核会自动唤醒其中一个进程，使其获取信号量并继续执行；
这是 “申请 - 释放” 闭环的关键，保证设备使用完成后能被其他进程抢占。
3.2.5、设备操作函数集（126-132 行）
126 static struct file_operations gpioled_fops = { 127 .owner = THIS_MODULE, 128 .open = led_open, 129 .read = led_read, 130 .write = led_write, 131 .release = led_release, 132 };字符设备驱动的核心函数集，将open/write/release等函数与内核关联，用户空间调用open/write/close时，内核会回调对应函数；
.owner = THIS_MODULE：标记驱动所属模块，避免模块卸载时函数被非法调用。
3.2.6驱动入口函数（139-202 行）
139 static int __init led_init(void) 140 { 141 int ret = 0; 142 143 /* 初始化信号量 */ 144 sema_init(&gpioled.sem, 1); 145 146 /* 设置LED所使用的GPIO */ 147 /* 1、获取设备节点：gpioled */ 148 gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled"); 149 if(gpioled.nd == NULL) { 150 printk("gpioled node not find!\r\n"); 151 return -EINVAL; 152 } else { 153 printk("gpioled node find!\r\n"); 154 } 155 156 /* 2、 获取设备树中的gpio属性，得到LED所使用的LED编号 */ 157 gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "led-gpio", 0); 158 if(gpioled.led_gpio < 0) { 159 printk("can't get led-gpio"); 160 return -EINVAL; 161 } 162 printk("led-gpio num = %d\r\n", gpioled.led_gpio); 163 164 /* 3、设置GPIO1_IO03为输出，并且输出高电平，默认关闭LED灯 */ 165 ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 1); 166 if(ret < 0) { 167 printk("can't set gpio!\r\n"); 168 } 169 170 /* 注册字符设备驱动 */ 171 /* 1、创建设备号 */ 172 if (gpioled.major) { /* 定义了设备号 */ 173 gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major, 0); 174 register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME); 175 } else { /* 没有定义设备号 */ 176 alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME); /* 申请设备号 */ 177 gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的主设备号 */ 178 gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的次设备号 */ 179 } 180 printk("gpioled major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major, gpioled.minor); 181 182 /* 2、初始化cdev */ 183 gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE; 184 cdev_init(&gpioled.cdev, &gpioled_fops); 185 186 /* 3、添加一个cdev */ 187 cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT); 188 189 /* 4、创建类 */ 190 gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME); 191 if (IS_ERR(gpioled.class)) { 192 return PTR_ERR(gpioled.class); 193 } 194 195 /* 5、创建设备 */ 196 gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL, gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME); 197 if (IS_ERR(gpioled.device)) { 198 return PTR_ERR(gpioled.device); 199 } 200 201 return 0; 202 }第 144 行（核心）：sema_init(&gpioled.sem, 1)初始化信号量，第二个参数为 1，表示信号量初始计数值为 1（二值信号量），代表 LED 设备初始为空闲状态；
第 148-168 行：设备树解析流程，获取 LED 对应的 GPIO 节点和编号，并配置为输出模式，默认高电平（LED 熄灭）；
第 170-199 行：字符设备驱动标准注册流程：
创建设备号（静态注册 / 动态申请）；
初始化cdev并添加到内核；
创建设备类和设备节点，最终在/dev目录下生成gpioled设备文件。
3.2.7、驱动出口函数（209-217 行）
209 static void __exit led_exit(void) 210 { 211 /* 注销字符设备驱动 */ 212 cdev_del(&gpioled.cdev);/* 删除cdev */ 213 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT); /* 注销设备号 */ 214 215 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid); 216 class_destroy(gpioled.class); 217 }驱动卸载时的资源释放流程，与入口函数的注册流程反向：删除cdev→注销设备号→销毁设备节点→销毁设备类；
信号量无需手动释放：模块卸载时内核会自动清理信号量资源。
3.3、测试APP编写
直接复用原子操作实验的atomicApp.c，仅重命名为semaApp.c，核心逻辑不变：
向 LED 驱动发送亮 / 灭控制指令；模拟对 LED 设备的长时间占用（25 秒），验证在占用期间其他应用无法打开设备；占用结束后释放设备，验证其他应用可正常访问。
四、运行测试
4.1、编译驱动程序和测试 APP
编写 Makefile 文件，本次实验的 Makefile 文件和之前的led实验基本一样，只是将 obj-m 变量的值改为semaphore.o，Makefile 内容如下所示：
KERNELDIR := /home/duan/linux/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.1_ga_alientek_v2.2 CURRENT_PATH := $(shell pwd) obj-m := semaphore.o build: kernel_modules kernel_modules: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules clean: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean 第 4 行，设置 obj-m 变量的值为semaphore.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make -j32编译成功以后就会生成一个名为“semaApp.c”的驱动模块文件。
编译测试 APP
输入如下命令编译测试试 spinlockApp.c 这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc semaApp.c -o semaApp 4.2、运行测试
将上一小节编译出来的semaphore.ko 和 semaApp这两个文件拷贝到 rootfs/lib/modules/4.1.15 目录中。
sudo cp semaphore.ko /home/duan/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15/ -fsudo cp semaApp /home/duan/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15/ -f进入到目录 lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载semaphore.ko 驱动模块：
depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令 modprobe semaphore.ko//加载驱动驱动加载成功以后会在终端中输出一些信息，如下图所示：
驱动加载成功以后就可以使用semaApp 软件测试驱动是否工作正常，先输入如下命令让 semaApp 软件模拟占用 25S 的 LED 灯：
./semaApp /dev/gpioled 1& //打开led输入上述命令以后观察开发板上的红色 LED 灯是否点亮，然后每隔 5 秒都会输出一行“App
running times ”，如下图 所示：
从上图可以看出，semaApp 运行正常，输出了“App running times:1”和“App running
times:2”，这就是模拟 25S 占用，说明semaApp 这个软件正在使用 LED 灯。
紧接着再输入如下命令关闭 LED 灯：
./semaApp /dev/gpioled 0 //关闭 LED 灯注意两个命令都是运行在后台，第一条命令先获取到信号量，因此可以操作 LED 灯，将LED 灯打开，并且占有 25S。第二条命令因为获取信号量失败而进入休眠状态，等待第一条命令运行完毕并释放信号量以后才拥有 LED 灯使用权，将 LED 灯关闭，运行结果如下图所示：
rmmod semaphore.ko总结
本次实验通过信号量实现了 LED 设备的互斥访问，本文如有错误或不足，欢迎评论区指正，也欢迎大家三连交流～
下一期博客将讲解互斥体（mutex）的实战应用，敬请关注！
