詳解互斥信號(hào)量的概念和運(yùn)行

1 、互 斥 信 號(hào) 量

1.1 互斥信號(hào)量的概念及其作用

互斥信號(hào)量的主要作用是對(duì)資源實(shí)現(xiàn)互斥訪問(wèn)，使用二值信號(hào)量也可以實(shí)現(xiàn)互斥訪問(wèn)的功能，不過(guò)互斥信號(hào)量與二值信號(hào)量有區(qū)別。下面我們先舉一個(gè)通過(guò)二值信號(hào)量實(shí)現(xiàn)資源獨(dú)享，即互斥訪問(wèn)的例子，讓大家有一個(gè)形象的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而引出要講解的互斥信號(hào)量。

運(yùn)行條件：

讓兩個(gè)任務(wù) Task1 和 Task2 都運(yùn)行串口打印函數(shù) printf，這里我們就通過(guò)二值信號(hào)量實(shí)現(xiàn)對(duì)函數(shù)printf 的互斥訪問(wèn)。如果不對(duì)函數(shù) printf 進(jìn)行互斥訪問(wèn)，串口打印容易出現(xiàn)亂碼。

用計(jì)數(shù)信號(hào)量實(shí)現(xiàn)二值信號(hào)量只需將計(jì)數(shù)信號(hào)量的初始值設(shè)置為 1 即可。

代碼實(shí)現(xiàn)：

創(chuàng)建二值信號(hào)量

static SemaphoreHandle_t xSemaphore = NULL; * 函 數(shù) 名: AppObjCreate * 功能說(shuō)明: 創(chuàng)建任務(wù)通信機(jī)制 * 形 參: 無(wú) * 返 回 值: 無(wú) static void AppObjCreate (void) {/* 創(chuàng)建二值信號(hào)量，首次創(chuàng)建信號(hào)量計(jì)數(shù)值是 0 */xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();if(xSemaphore == NULL) {/* 沒(méi)有創(chuàng)建成功，用戶可以在這里加入創(chuàng)建失敗的處理機(jī)制 */}/* 先釋放一次，將初始值改為 1，利用二值信號(hào)量實(shí)現(xiàn)互斥功能 */xSemaphoreGive(xSemaphore); }

? 通過(guò)二值信號(hào)量實(shí)現(xiàn)對(duì) printf 函數(shù)互斥訪問(wèn)的兩個(gè)任務(wù)

static void vTaskLED(void *pvParameters) { TickType_t xLastWakeTime;const TickType_t xFrequency = 300;/* 獲取當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間 */xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();while(1) {/* 通過(guò)二值信號(hào)量實(shí)現(xiàn)資源互斥訪問(wèn)，永久等待直到資源可用 */xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY); printf("任務(wù) vTaskLED 在運(yùn)行 "); bsp_LedToggle(1); bsp_LedToggle(4); xSemaphoreGive(xSemaphore);/* vTaskDelayUntil 是絕對(duì)延遲，vTaskDelay 是相對(duì)延遲。*/vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency); } } * 函 數(shù) 名: vTaskMsgPro * 功能說(shuō)明: 實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的互斥訪問(wèn) * 形 參: pvParameters 是在創(chuàng)建該任務(wù)時(shí)傳遞的形參 * 返 回 值: 無(wú) * 優(yōu) 先 級(jí): 3 static void vTaskMsgPro(void *pvParameters) { TickType_t xLastWakeTime; const TickType_t xFrequency = 300; /* 獲取當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間 */xLastWakeTime = xTaskGetTickCount(); while(1) { /* 通過(guò)二值信號(hào)量實(shí)現(xiàn)資源互斥訪問(wèn)，永久等待直到資源可用 */ xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY); printf("任務(wù) vTaskMsgPro 在運(yùn)行 "); bsp_LedToggle(2); bsp_LedToggle(3); xSemaphoreGive(xSemaphore); /* vTaskDelayUntil 是絕對(duì)延遲，vTaskDelay 是相對(duì)延遲。*/ vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency); } }

有了上面二值信號(hào)量的認(rèn)識(shí)之后，互斥信號(hào)量與二值信號(hào)量又有什么區(qū)別呢？互斥信號(hào)量可以防止優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)，而二值信號(hào)量不支持，下面我們就講解一下優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題。

1.2 優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題

下面我們通過(guò)如下的框圖來(lái)說(shuō)明一下優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)的問(wèn)題，讓大家有一個(gè)形象的認(rèn)識(shí)。

運(yùn)行條件：

創(chuàng)建 3 個(gè)任務(wù) Task1，Task2 和 Task3，優(yōu)先級(jí)分別為 3，2，1。也就是 Task1 的優(yōu)先級(jí)最高。
任務(wù) Task1 和 Task3 互斥訪問(wèn)串口打印 printf，采用二值信號(hào)實(shí)現(xiàn)互斥訪問(wèn)。
起初 Task3 通過(guò)二值信號(hào)量正在調(diào)用 printf，被任務(wù) Task1 搶占，開(kāi)始執(zhí)行任務(wù) Task1，也就是上圖的起始位置。

運(yùn)行過(guò)程描述如下：
任務(wù) Task1 運(yùn)行的過(guò)程需要調(diào)用函數(shù) printf，發(fā)現(xiàn)任務(wù) Task3 正在調(diào)用，任務(wù) Task1 會(huì)被掛起，等待 Task3 釋放函數(shù) printf。
在調(diào)度器的作用下，任務(wù) Task3 得到運(yùn)行，Task3 運(yùn)行的過(guò)程中，由于任務(wù) Task2 就緒，搶占了 Task3的運(yùn)行。優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題就出在這里了，從任務(wù)執(zhí)行的現(xiàn)象上看，任務(wù) Task1 需要等待 Task2 執(zhí)行完畢才有機(jī)會(huì)得到執(zhí)行，這個(gè)與搶占式調(diào)度正好反了，正常情況下應(yīng)該是高優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行，這里成了高優(yōu)先級(jí)任務(wù) Task1 等待低優(yōu)先級(jí)任務(wù) Task2 完成。所以這種情況被稱之為優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題。
任務(wù) Task2 執(zhí)行完畢后，任務(wù) Task3 恢復(fù)執(zhí)行，Task3 釋放互斥資源后，任務(wù) Task1 得到互斥資源，從而可以繼續(xù)執(zhí)行。

上面就是一個(gè)產(chǎn)生優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題的現(xiàn)象。

1.3 FreeRTOS 互斥信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)

FreeRTOS 互斥信號(hào)量是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？其實(shí)相對(duì)于二值信號(hào)量，互斥信號(hào)量就是解決了一下優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)的問(wèn)題。下面我們通過(guò)如下的框圖來(lái)說(shuō)明一下 FreeRTOS 互斥信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)，讓大家有一個(gè)形象的認(rèn)識(shí)。

運(yùn)行條件：

創(chuàng)建 2 個(gè)任務(wù) Task1 和 Task2，優(yōu)先級(jí)分別為 1 和 3，也就是任務(wù) Task2 的優(yōu)先級(jí)最高。
任務(wù) Task1 和 Task2 互斥訪問(wèn)串口打印 printf。
使用 FreeRTOS 的互斥信號(hào)量實(shí)現(xiàn)串口打印 printf 的互斥訪問(wèn)。

運(yùn)行過(guò)程描述如下：

低優(yōu)先級(jí)任務(wù) Task1 執(zhí)行過(guò)程中先獲得互斥資源 printf 的執(zhí)行。此時(shí)任務(wù) Task2 搶占了任務(wù) Task1的執(zhí)行，任務(wù) Task1 被掛起。任務(wù) Task2 得到執(zhí)行。
任務(wù) Task2 執(zhí)行過(guò)程中也需要調(diào)用互斥資源，但是發(fā)現(xiàn)任務(wù) Task1 正在訪問(wèn)，此時(shí)任務(wù) Task1 的優(yōu)先級(jí)會(huì)被提升到與 Task2 同一個(gè)優(yōu)先級(jí)，也就是優(yōu)先級(jí) 3，這個(gè)就是所謂的優(yōu)先級(jí)繼承（Priority inheritance），這樣就有效地防止了優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題。任務(wù) Task2 被掛起，任務(wù) Task1 有新的優(yōu)先級(jí)繼續(xù)執(zhí)行。
任務(wù) Task1 執(zhí)行完畢并釋放互斥資源后，優(yōu)先級(jí)恢復(fù)到原來(lái)的水平。由于互斥資源可以使用，任務(wù)Task2 獲得互斥資源后開(kāi)始執(zhí)行。

上面就是一個(gè)簡(jiǎn)單的 FreeRTOS 互斥信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1.4 FreeRTOS 中斷方式互斥信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)

互斥信號(hào)量?jī)H支持用在 FreeRTOS 的任務(wù)中，中斷函數(shù)中不可使用。

2 互 斥 信 號(hào) 量 API 函 數(shù)

使用如下 18 個(gè)函數(shù)可以實(shí)現(xiàn) FreeRTOS 的信號(hào)量(含計(jì)數(shù)信號(hào)量，二值信號(hào)量和互斥信號(hào))：
? xSemaphoreCreateBinary()
? xSemaphoreCreateBinaryStatic()
? vSemaphoreCreateBinary()
? xSemaphoreCreateCounting()
? xSemaphoreCreateCountingStatic()
? xSemaphoreCreateMutex()
? xSemaphoreCreateMutexStatic()
? xSem'CreateRecursiveMutex()
? xSem'CreateRecursiveMutexStatic()
? vSemaphoreDelete()
? xSemaphoreGetMutexHolder()
? uxSemaphoreGetCount()
? xSemaphoreTake()
? xSemaphoreTakeFromISR()
? xSemaphoreTakeRecursive()
? xSemaphoreGive()
? xSemaphoreGiveRecursive()

? xSemaphoreGiveFromISR()

關(guān)于這 18 個(gè)函數(shù)的講解及其使用方法可以看 FreeRTOS 在線版手冊(cè)：

2.1 函數(shù) xSemaphoreCreateMutex

函數(shù)原型：
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex( void )
函數(shù)描述：
函數(shù) xSemaphoreCreateMutex 用于創(chuàng)建互斥信號(hào)量。
返回值，如果創(chuàng)建成功會(huì)返回互斥信號(hào)量的句柄，如果由于 FreeRTOSConfig.h 文件中 heap 大小不足，無(wú)法為此互斥信號(hào)量提供所需的空間會(huì)返回 NULL。

使用這個(gè)函數(shù)要注意以下問(wèn)題：
1. 此函數(shù)是基于函數(shù) xQueueCreateMutex 實(shí)現(xiàn)的：
#define xSemaphoreCreateMutex() xQueueCreateMutex( queueQUEUE_TYPE_MUTEX )
函數(shù) xQueueCreateMutex 的實(shí)現(xiàn)是基于消息隊(duì)列函數(shù) xQueueGenericCreate 實(shí)現(xiàn)的。
2. 使用此函數(shù)要在 FreeRTOSConfig.h 文件中使能宏定義：
#define configUSE_MUTEXES 1

使用舉例：

static SemaphoreHandle_t xMutex = NULL; * 函 數(shù) 名: AppObjCreate * 功能說(shuō)明: 創(chuàng)建任務(wù)通信機(jī)制 * 形 參: 無(wú) * 返 回 值: 無(wú) static void AppObjCreate (void) {/* 創(chuàng)建互斥信號(hào)量 */xMutex = xSemaphoreCreateMutex(); if(xSemaphore == NULL) {/* 沒(méi)有創(chuàng)建成功，用戶可以在這里加入創(chuàng)建失敗的處理機(jī)制 */} }

2.2 函數(shù) xSemaphoreGive

函數(shù)原型：
xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore ); /* 信號(hào)量句柄 */
函數(shù)描述：
函數(shù) xSemaphoreGive 用于在任務(wù)代碼中釋放信號(hào)量。
第 1 個(gè)參數(shù)是信號(hào)量句柄。
返回值，如果信號(hào)量釋放成功返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE，因?yàn)樾盘?hào)量的實(shí)現(xiàn)是基于消息隊(duì)列，返回失敗的主要原因是消息隊(duì)列已經(jīng)滿了。
使用這個(gè)函數(shù)要注意以下問(wèn)題：
1. 此函數(shù)是基于消息隊(duì)列函數(shù) xQueueGenericSend 實(shí)現(xiàn)的：
#define xSemaphoreGive( xSemaphore ) xQueueGenericSend( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), NULL, semGIVE_BLOCK_TIME,queueSEND_TO_BACK )
2. 此函數(shù)是用于任務(wù)代碼中調(diào)用的，故不可以在中斷服務(wù)程序中調(diào)用此函數(shù)，中斷服務(wù)程序中使用的是xSemaphoreGiveFromISR。

3. 使用此函數(shù)前，一定要保證用函數(shù) xSemaphoreCreateBinary(), xSemaphoreCreateMutex() 或者 xSemaphoreCreateCounting()創(chuàng)建了信號(hào)量。
4. 此函數(shù)不支持使用 xSemaphoreCreateRecursiveMutex()創(chuàng)建的信號(hào)量。

2.3 函數(shù) xSemaphoreTake

函數(shù)原型：
xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, /* 信號(hào)量句柄 */
TickType_t xTicksToWait ); /* 等待信號(hào)量可用的最大等待時(shí)間 */
函數(shù)描述：
函數(shù) xSemaphoreTake 用于在任務(wù)代碼中獲取信號(hào)量。
第 1 個(gè)參數(shù)是信號(hào)量句柄。
第 2 個(gè)參數(shù)是沒(méi)有信號(hào)量可用時(shí)，等待信號(hào)量可用的最大等待時(shí)間，單位系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍。

返回值，如果創(chuàng)建成功會(huì)獲取信號(hào)量返回 pdTRUE，否則返回 pdFALSE。
使用這個(gè)函數(shù)要注意以下問(wèn)題：
1. 此函數(shù)是用于任務(wù)代碼中調(diào)用的，故不可以在中斷服務(wù)程序中調(diào)用此函數(shù)，中斷服務(wù)程序使用的是xSemaphoreTakeFromISR。
2. 如果消息隊(duì)列為空且第 2 個(gè)參數(shù)為 0，那么此函數(shù)會(huì)立即返回。
3. 如果用戶將 FreeRTOSConfig.h 文件中的宏定義 INCLUDE_vTaskSuspend 配置為 1 且第 2 個(gè)參數(shù)配置為 portMAX_DELAY，那么此函數(shù)會(huì)永久等待直到信號(hào)量可用。

使用舉例：

static SemaphoreHandle_t xMutex = NULL; * 函 數(shù) 名: vTaskLED * 功能說(shuō)明: 實(shí)現(xiàn)串口的互斥訪問(wèn)，防止多個(gè)任務(wù)同時(shí)訪問(wèn)造成串口打印亂碼 * 形 參: pvParameters 是在創(chuàng)建該任務(wù)時(shí)傳遞的形參 * 返 回 值: 無(wú) * 優(yōu) 先 級(jí): 2 static void vTaskLED(void *pvParameters) { TickType_t xLastWakeTime;const TickType_t xFrequency = 200;/* 獲取當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間 */xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();while(1) {/* 互斥信號(hào)量，xSemaphoreTake 和 xSemaphoreGive 一定要成對(duì)的調(diào)用 */xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY); printf("任務(wù) vTaskLED 在運(yùn)行 "); bsp_LedToggle(2); bsp_LedToggle(3); xSemaphoreGive(xMutex);/* vTaskDelayUntil 是絕對(duì)延遲，vTaskDelay 是相對(duì)延遲。*/vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency); } }

互斥信號(hào)量，xSemaphoreTake 和 xSemaphoreGive 一定要成對(duì)的調(diào)用

經(jīng)過(guò)測(cè)試，互斥信號(hào)量是可以被其他任務(wù)釋放的，但是我們最好不要這么做，因?yàn)楣俜?a href="http://wenjunhu.com/v/" target="_blank">推薦的就是在同一個(gè)任務(wù)中接收和釋放。如果在其他任務(wù)釋放，不僅僅會(huì)讓代碼整體邏輯變得復(fù)雜，還會(huì)給使用和維護(hù)這套API的人帶來(lái)困難。遵守規(guī)范，總是好的。

裸機(jī)編程的時(shí)候，我經(jīng)常想一個(gè)問(wèn)題，就是怎么做到當(dāng)一個(gè)標(biāo)志位觸發(fā)的時(shí)候，立即執(zhí)行某個(gè)操作，如同實(shí)現(xiàn)標(biāo)志中斷一樣，在os編程之后，我們就可以讓一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)一直等待某個(gè)信號(hào)量，如果獲得信號(hào)量，就執(zhí)行某個(gè)操作，實(shí)現(xiàn)類似標(biāo)志位中斷的作用（當(dāng)然，要想正真做到中斷效果，那就需要屏蔽所有可屏蔽中斷，而臨界區(qū)就可以做到）。

再說(shuō)一下遞歸互斥信號(hào)量：遞歸互斥信號(hào)量，其實(shí)就是互斥信號(hào)量里面嵌套互斥信號(hào)量

使用舉例：

static void vTaskMsgPro(void *pvParameters) { TickType_t xLastWakeTime; const TickType_t xFrequency = 1500; /* 獲取當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間 */ xLastWakeTime = xTaskGetTickCount(); while(1) {/* 遞歸互斥信號(hào)量，其實(shí)就是互斥信號(hào)量里面嵌套互斥信號(hào)量 */ xSemaphoreTakeRecursive(xRecursiveMutex, portMAX_DELAY); {//假如這里是被保護(hù)的資源，第1層被保護(hù)的資源，用戶可以在這里添加被保護(hù)資源 printf("任務(wù)vTaskMsgPro在運(yùn)行，第1層被保護(hù)的資源，用戶可以在這里添加被保護(hù)資源 "); /* 第1層被保護(hù)的資源里面嵌套被保護(hù)的資源 */ xSemaphoreTakeRecursive(xRecursiveMutex, portMAX_DELAY); { //假如這里是被保護(hù)的資源，第2層被保護(hù)的資源，用戶可以在這里添加被保護(hù)資源 printf("任務(wù)vTaskMsgPro在運(yùn)行，第2層被保護(hù)的資源，用戶可以在這里添加被保護(hù)資源 "); /* 第2層被保護(hù)的資源里面嵌套被保護(hù)的資源 */ xSemaphoreTakeRecursive(xRecursiveMutex, portMAX_DELAY); { printf("任務(wù)vTaskMsgPro在運(yùn)行，第3層被保護(hù)的資源，用戶可以在這里添加被保護(hù)資源 "); bsp_LedToggle(1); bsp_LedToggle(4); } xSemaphoreGiveRecursive(xRecursiveMutex); } xSemaphoreGiveRecursive(xRecursiveMutex); } xSemaphoreGiveRecursive(xRecursiveMutex); /* vTaskDelayUntil是絕對(duì)延遲，vTaskDelay是相對(duì)延遲。*/ vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency); } }

可以前面的那個(gè)官方文檔那樣用if判斷傳遞共享量：

也可以用我們遞歸互斥信號(hào)量里面的portMAX_DELAY指定永久等待，即xSemaphoreTakeRecursive返回的不是pdTRUE時(shí)，會(huì)一直等待信號(hào)量，直到有信號(hào)量來(lái)才執(zhí)行后面的語(yǔ)句。

責(zé)任編輯：PSY

原文標(biāo)題：嵌入式系統(tǒng)FreeRTOS — 互斥信號(hào)量

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