韋東山freeRTOS系列教程之同步互斥與通信(4)

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• 系列教程總目錄
• 概述
• 4.1 同步與互斥的概念
• 4.2 同步與互斥并不簡(jiǎn)單
• 4.3 各類方法的對(duì)比

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系列教程總目錄

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概述

本章是概述性的內(nèi)容。可以把多任務(wù)系統(tǒng)當(dāng)做一個(gè)團(tuán)隊(duì)，里面的每一個(gè)任務(wù)就相當(dāng)于團(tuán)隊(duì)里的一個(gè)人。團(tuán)隊(duì)成員之間要協(xié)調(diào)工作進(jìn)度(同步)、爭(zhēng)用會(huì)議室(互斥)、溝通(通信)。多任務(wù)系統(tǒng)中所涉及的概念，都可以在現(xiàn)實(shí)生活中找到例子。

各類RTOS都會(huì)涉及這些概念：任務(wù)通知(task notification)、隊(duì)列(queue)、事件組(event group)、信號(hào)量(semaphoe)、互斥量(mutex)等。我們先站在更高角度來講解這些概念。

4.1 同步與互斥的概念

一句話理解同步與互斥：我等你用完廁所，我再用廁所。

• 什么叫同步？就是：哎哎哎，我正在用廁所，你等會(huì)。
• 什么叫互斥？就是：哎哎哎，我正在用廁所，你不能進(jìn)來。

同步與互斥經(jīng)常放在一起講，是因?yàn)樗鼈冎年P(guān)系很大，“互斥”操作可以使用“同步”來實(shí)現(xiàn)。我“等”你用完廁所，我再用廁所。這不就是用“同步”來實(shí)現(xiàn)“互斥”嗎？

再舉一個(gè)例子。在團(tuán)隊(duì)活動(dòng)里，同事A先寫完報(bào)表，經(jīng)理B才能拿去向領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)。經(jīng)理B必須等同事A完成報(bào)表，AB之間有依賴，B必須放慢腳步，被稱為同步。在團(tuán)隊(duì)活動(dòng)中，同事A已經(jīng)使用會(huì)議室了，經(jīng)理B也想使用，即使經(jīng)理B是領(lǐng)導(dǎo)，他也得等著，這就叫互斥。經(jīng)理B跟同事A說：你用完會(huì)議室就提醒我。這就是使用"同步"來實(shí)現(xiàn)"互斥"。

有時(shí)候看代碼更容易理解，偽代碼如下：

01 void  搶廁所(void)
02 {
03    if (有人在用) 我瞇一會(huì);
04    用廁所;
05    喂，醒醒，有人要用廁所嗎;
06 }

假設(shè)有A、B兩人早起搶廁所，A先行一步占用了；B慢了一步，于是就瞇一會(huì)；當(dāng)A用完后叫醒B，B也就愉快地上廁所了。
在這個(gè)過程中，A、B是互斥地訪問“廁所”，“廁所”被稱之為臨界資源。我們使用了“休眠-喚醒”的同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)了“臨界資源”的“互斥訪問”。

同一時(shí)間只能有一個(gè)人使用的資源，被稱為臨界資源。比如任務(wù)A、B都要使用串口來打印，串口就是臨界資源。如果A、B同時(shí)使用串口，那么打印出來的信息就是A、B混雜，無法分辨。所以使用串口時(shí)，應(yīng)該是這樣：A用完，B再用；B用完，A再用。

4.2 同步與互斥并不簡(jiǎn)單

4.3 各類方法的對(duì)比

能實(shí)現(xiàn)同步、互斥的內(nèi)核方法有：任務(wù)通知(task notification)、隊(duì)列(queue)、事件組(event group)、信號(hào)量(semaphoe)、互斥量(mutex)。

它們都有類似的操作方法：獲取/釋放、阻塞/喚醒、超時(shí)。比如：

• A獲取資源，用完后A釋放資源
• A獲取不到資源則阻塞，B釋放資源并把A喚醒
• A獲取不到資源則阻塞，并定個(gè)鬧鐘；A要么超時(shí)返回，要么在這段時(shí)間內(nèi)因?yàn)锽釋放資源而被喚醒。

這些內(nèi)核對(duì)象五花八門，記不住怎么辦？我也記不住，通過對(duì)比的方法來區(qū)分它們。

• 能否傳信息？只能傳遞狀態(tài)？
• 為眾生？只為你？
• 我生產(chǎn)，你們消費(fèi)？
• 我上鎖，只能由我開鎖

使用圖形對(duì)比如下：

• 隊(duì)列：
  • 里面可以放任意數(shù)據(jù)，可以放多個(gè)數(shù)據(jù)
  • 任務(wù)、ISR都可以放入數(shù)據(jù)；任務(wù)、ISR都可以從中讀出數(shù)據(jù)
• 事件組：
  • 一個(gè)事件用一bit表示，1表示事件發(fā)生了，0表示事件沒發(fā)生
  • 可以用來表示事件、事件的組合發(fā)生了，不能傳遞數(shù)據(jù)
  • 有廣播效果：事件或事件的組合發(fā)生了，等待它的多個(gè)任務(wù)都會(huì)被喚醒
• 信號(hào)量：
  • 核心是"計(jì)數(shù)值"
  • 任務(wù)、ISR釋放信號(hào)量時(shí)讓計(jì)數(shù)值加1
  • 任務(wù)、ISR獲得信號(hào)量時(shí)，讓計(jì)數(shù)值減1
• 任務(wù)通知：
  • 核心是任務(wù)的TCB里的數(shù)值
  • 會(huì)被覆蓋
  • 發(fā)通知給誰？必須指定接收任務(wù)
  • 只能由接收任務(wù)本身獲取該通知
• 互斥量：
  • 數(shù)值只有0或1
  • 誰獲得互斥量，就必須由誰釋放同一個(gè)互斥量