Linux C语言中信号量销毁机制底层实现原理
- 内核数据结构
- 信号量结构体：在Linux内核中，信号量通常由
struct semaphore 表示。这个结构体包含了信号量的值（count），用于表示可用资源的数量，以及等待队列（wait），用于存储因信号量值不足而被阻塞的进程。例如：
struct semaphore {
raw_spinlock_t lock;
unsigned int count;
struct list_head wait_list;
};
- 信号量集：对于POSIX信号量，还存在信号量集的概念，通过
struct semid_ds 结构体来管理。它包含了信号量集的各种属性，如权限信息、指向信号量数组的指针等。
struct semid_ds {
struct ipc_perm sem_perm;
struct sem *sem_base;
unsigned short sem_nsems;
time_t sem_otime;
time_t sem_ctime;
};
- 系统调用流程
- 用户空间调用：在用户空间，通常使用
semctl 函数（对于System V信号量）来销毁信号量，其函数原型为 int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);，当 cmd 为 IPC_RMID 时，表示删除信号量集。
- 进入内核：系统调用会通过中断机制进入内核态。在
sys_semctl 函数中，会根据传递的参数找到对应的信号量集。它首先检查调用进程是否具有足够的权限来执行删除操作。
- 释放资源：找到信号量集后，内核会遍历信号量集中的所有信号量，释放与这些信号量相关的资源。例如，将等待在这些信号量上的进程唤醒（如果有的话），并将信号量集从系统的信号量列表中移除。对于
struct semaphore 类型的信号量，会释放其占用的内存空间。最后，更新系统的信号量相关统计信息。
高并发场景下信号量销毁机制优化
- 减少锁竞争
- 读写锁优化：在信号量销毁过程中，对于共享数据结构（如信号量集的管理结构体）的访问可以使用读写锁代替自旋锁。在高并发场景下，自旋锁可能会导致过多的CPU空转。读写锁允许在读取数据时多个线程并发进行，只有在写入（如销毁信号量时修改信号量集相关信息）时才需要独占锁。这样可以减少锁竞争，提高系统性能。
- 无锁数据结构：引入无锁数据结构来管理信号量相关信息。例如，使用无锁队列来管理等待信号量的进程，这样在信号量销毁时，唤醒等待进程的操作可以无锁进行，避免了锁带来的性能开销。
- 批量操作
- 延迟销毁：在高并发场景下，频繁的信号量销毁操作可能会带来较大的开销。可以采用延迟销毁策略，即当请求销毁信号量时，并不立即执行销毁操作，而是将这些信号量标记为待销毁状态。然后在系统负载较低或者特定的时机，批量处理这些待销毁的信号量。这样可以减少系统调用的次数，提高资源利用率。
- 合并信号量：如果在高并发场景下存在大量短期使用的信号量，可以考虑在销毁时将一些信号量合并。例如，当多个信号量的功能类似且都要被销毁时，可以将它们合并为一个信号量，重新分配资源，从而减少系统中信号量的总数，提高系统资源的利用效率。
- 异步处理
- 内核线程处理：创建专门的内核线程来处理信号量的销毁操作。当用户空间请求销毁信号量时，将该请求放入一个队列中，由内核线程异步处理。这样可以避免在高并发场景下，主线程因处理信号量销毁而阻塞，提高系统的并发处理能力。
- 用户空间异步库：在用户空间，可以利用异步库（如
libuv 等）来处理信号量销毁相关的一些操作。例如，在销毁信号量之前，先异步清理与信号量相关的用户空间资源，然后再发起内核态的销毁操作，减少信号量销毁的整体时间。
