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，使用二值信號(hào)量也可以實(shí)現(xiàn)互斥訪問的功能，不過互斥信號(hào)量與二值信號(hào)量有區(qū)別。下面我們先舉一個(gè)通過二值信號(hào)量實(shí)現(xiàn)資源獨(dú)享，即互斥訪問的例子，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，這里我們就通過二值信號(hào)量實(shí)現(xiàn)對(duì)函數(shù)printf 的互斥訪問。如果不對(duì)函數(shù) printf 進(jìn)行互斥訪問，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 * 功能說明: 創(chuàng)建任務(wù)通信機(jī)制 * 形 參: 無 * 返 回 值: 無 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); }

? 通過二值信號(hào)量實(shí)現(xiàn)對(duì) printf 函數(shù)互斥訪問的兩個(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) {/* 通過二值信號(hào)量實(shí)現(xiàn)資源互斥訪問，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 * 功能說明: 實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的互斥訪問 * 形 參: pvParameters 是在創(chuàng)建該任務(wù)時(shí)傳遞的形參 * 返 回 值: 無 * 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) { /* 通過二值信號(hào)量實(shí)現(xiàn)資源互斥訪問，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)問題。

1.2 優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問題

下面我們通過如下的框圖來說明一下優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)的問題，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 互斥訪問串口打印 printf，采用二值信號(hào)實(shí)現(xiàn)互斥訪問。
起初 Task3 通過二值信號(hào)量正在調(diào)用 printf，被任務(wù) Task1 搶占，開始執(zhí)行任務(wù) Task1，也就是上圖的起始位置。

運(yùn)行過程描述如下：
任務(wù) Task1 運(yùn)行的過程需要調(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)的問題。下面我們通過如下的框圖來說明一下 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。

運(yùn)行過程描述如下：

低優(yōu)先級(jí)任務(wù) Task1 執(zhí)行過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，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 獲得互斥資源后開始執(zhí)行。

上面就是一個(gè)簡單的 FreeRTOS 互斥信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)過程。

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

互斥信號(hào)量僅支持用在 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 * 功能說明: 創(chuàng)建任務(wù)通信機(jī)制 * 形 參: 無 * 返 回 值: 無 static void AppObjCreate (void) {/* 創(chuàng)建互斥信號(hào)量 */xMutex = xSemaphoreCreateMutex(); if(xSemaphore == NULL) {/* 沒有創(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 * 功能說明: 實(shí)現(xiàn)串口的互斥訪問，防止多個(gè)任務(wù)同時(shí)訪問造成串口打印亂碼 * 形 參: pvParameters 是在創(chuàng)建該任務(wù)時(shí)傳遞的形參 * 返 回 值: 無 * 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)楣俜酵扑]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)量來才執(zhí)行后面的語句。

責(zé)任編輯：PSY

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

文章出處：【微信公眾號(hào)：開源嵌入式】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。