freeRTOS学习笔记（十二）--信号量

文章目录

一、同步和互斥
- [1.1 同步](#1.1 同步)
- - 同步的核心场景与目标
  - FreeRTOS中常用的同步机制
  - - [1. 二进制信号量（Binary Semaphore）](#1. 二进制信号量（Binary Semaphore）)
    - [2. 计数信号量（Counting Semaphore）](#2. 计数信号量（Counting Semaphore）)
    - [3. 事件标志组（Event Groups）](#3. 事件标志组（Event Groups）)
    - [4. 任务通知（Task Notifications）](#4. 任务通知（Task Notifications）)
    - [5. 消息队列（Message Queues）](#5. 消息队列（Message Queues）)
  - 同步与互斥的区别
  - 总结
- [1.2 互斥](#1.2 互斥)

一、同步和互斥

1.1 同步

在FreeRTOS中，同步（Synchronization） 指的是多个任务之间（或任务与中断之间）为了协调执行节奏、共享事件或传递状态而进行的时序协作机制。其核心目的是确保任务按照预期的逻辑顺序执行，避免因执行时机错乱导致的数据错误、资源冲突或功能失效。

同步的核心场景与目标

在实时操作系统（RTOS）中，多任务并发执行时，往往需要通过同步解决以下问题：

"等待事件"：一个任务需要等待另一个任务（或中断）完成某个操作后才能继续执行（例如，传感器采集任务完成后，数据处理任务才能启动）。
"步调一致"：多个任务需按照特定顺序协同工作（例如，A任务生成数据→B任务处理数据→C任务存储数据，需严格按A→B→C的顺序执行）。
"资源有序访问"：当多个任务共享有限资源（如缓冲区、外设）时，通过同步确保资源使用的时序合理性（区别于"互斥"，同步更侧重"顺序"而非"独占"）。

FreeRTOS中常用的同步机制

FreeRTOS提供了多种同步工具，每种工具适用于不同场景：

1. 二进制信号量（Binary Semaphore）

原理：类似"开关"，只有两种状态（0或1），通常用于单次事件同步。

场景：

中断服务程序（ISR）通知任务处理事件（例如，串口接收数据后，ISR释放信号量，任务获取信号量后处理数据）。
任务A完成初始化后，释放信号量允许任务B启动。

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// 示例：ISR中释放信号量，任务中等待信号量
void UART_ISR(void) {
    xSemaphoreGiveFromISR(xBinarySemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken); // ISR释放
}

void vDataProcessTask(void *pvParam) {
    while(1) {
        xSemaphoreTake(xBinarySemaphore, portMAX_DELAY); // 等待信号量
        // 处理数据
    }
}

2. 计数信号量（Counting Semaphore）

原理：信号量值可在0到最大值之间变化，用于统计可用资源数量或事件次数。
场景：
- 管理资源池（如5个缓存区，任务获取信号量使用缓存，释放后信号量值加1）。
- 累计事件次数（如计数按键按下次数，任务批量处理）。

3. 事件标志组（Event Groups）

原理：通过一个32位整数的不同位表示不同事件，任务可等待"任意一个事件"或"所有事件"发生。

场景：

任务等待多个事件中的一个（如"传感器A触发"或"传感器B触发"）。
任务等待多个事件同时发生（如"温度达标"且"湿度达标"后启动风扇）。

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// 示例：等待两个事件同时发生
EventBits_t xBits = xEventGroupWaitBits(
    xEventGroup,          // 事件组
    (1 << 0) | (1 << 1),  // 等待事件0和事件1
    pdTRUE,               // 获取后清除标志位
    pdTRUE,               // 需两个事件同时发生
    portMAX_DELAY         // 无限等待
);
if( (xBits & ((1 << 0) | (1 << 1))) == ((1 << 0) | (1 << 1)) ) {
    // 两个事件均发生，执行操作
}

4. 任务通知（Task Notifications）

原理：通过直接向任务发送通知（替代信号量/事件组），效率更高（无需创建额外内核对象）。
场景：轻量级同步（如替代二进制信号量，减少内存开销）。

5. 消息队列（Message Queues）

原理：通过队列传递数据，同时隐含同步功能（发送方和接收方需等待队列有空间/有数据）。
场景：同步+数据传递（如任务A发送数据到队列，任务B等待队列有数据后处理）。

同步与互斥的区别

需注意，同步与"互斥（Mutex）"是不同概念：

同步：解决"时序协调"问题，确保任务按逻辑顺序执行（如"先生产后消费"）。
互斥：解决"资源独占"问题，防止多个任务同时访问共享资源（如用互斥锁保护全局变量）。

例如：两个任务共享打印机时，互斥确保同一时间只有一个任务使用打印机；而同步可能确保"任务A打印完文档1后，任务B才能打印文档2"。

总结

FreeRTOS中的同步是多任务协作的核心机制，通过信号量、事件标志组等工具，确保任务（或中断）按照预期的时序执行，避免因并发导致的逻辑混乱。实际开发中，需根据具体场景（如事件数量、是否传递数据、资源类型）选择合适的同步工具，以保证系统的实时性和可靠性。

1.2 互斥

在FreeRTOS（或更广泛的操作系统领域）中，互斥（Mutual Exclusion，简称"互斥"） 是一种解决多个任务对共享资源竞争访问 的机制，核心目标是确保同一时间只有一个任务能访问特定的共享资源，从而避免因并发操作导致的数据错乱、逻辑冲突或系统异常。

互斥的核心问题：资源竞争与数据不一致

在多任务系统中，多个任务可能同时需要访问"共享资源"（如全局变量、硬件外设、缓冲区等）。如果缺乏协调，可能出现以下问题：

例如，任务A和任务B同时向同一个串口发送数据，最终输出的内容会变成两者的混合乱码；
任务A读取全局变量count=5并执行count++（计划改为6），但执行中途被任务B抢占，任务B读取count=5并改为6，随后任务A恢复执行，继续将count改为6------最终结果应为7，却错误地变成6。

这种因"同时访问"导致的错误，称为资源竞争（Race Condition）。互斥机制的作用就是通过"独占访问"避免此类问题。

FreeRTOS中互斥的实现：互斥锁（Mutex）

FreeRTOS通过互斥锁（Mutex） 实现互斥功能，其本质是一种特殊的信号量，具有以下特性：

独占性 ：

互斥锁只有"持有"和"释放"两种状态。当一个任务获取（take）互斥锁后，其他任务必须等待（block），直到该任务释放（give）互斥锁，才能有机会获取。

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// 示例：创建互斥锁并使用
SemaphoreHandle_t xMutex;

void vInitTask(void *pvParam) {
    xMutex = xSemaphoreCreateMutex(); // 创建互斥锁
    // ... 创建其他任务
}

void vTaskA(void *pvParam) {
    while(1) {
        // 尝试获取互斥锁，最多等待100ms
        if(xSemaphoreTake(xMutex, 100) == pdTRUE) {
            // 成功获取锁，安全访问共享资源（如全局变量、串口）
            shared_data = 123;
            printf("TaskA: %d\n", shared_data);
            
            xSemaphoreGive(xMutex); // 释放锁
        }
        vTaskDelay(100);
    }
}

void vTaskB(void *pvParam) {
    while(1) {
        // 尝试获取互斥锁，无限等待
        if(xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            // 安全访问共享资源
            shared_data = 456;
            printf("TaskB: %d\n", shared_data);
            
            xSemaphoreGive(xMutex); // 释放锁
        }
        vTaskDelay(150);
    }
}

优先级继承（Priority Inheritance） ：

这是FreeRTOS互斥锁的关键特性，用于解决"优先级反转"问题：
- 优先级反转：低优先级任务持有互斥锁时，中等优先级任务抢占CPU，导致高优先级任务（等待该锁）被长时间阻塞，违背实时性要求。
- 优先级继承：当高优先级任务等待低优先级任务持有的互斥锁时，低优先级任务的优先级会临时提升到与高优先级任务相同，直到释放锁，从而避免被中等优先级任务抢占，保证高优先级任务的响应速度。
所有权 ：

互斥锁具有"所有权"概念------只有获取锁的任务才能释放锁（信号量则无此限制）。这避免了其他任务误释放锁导致的混乱。

互斥与同步的核心区别

维度	互斥（Mutex）	同步（如信号量、事件组）
核心目标	解决"资源独占"问题，防止竞争访问	解决"时序协调"问题，确保任务按逻辑顺序执行
关注点	资源的"安全性"（数据一致、操作正确）	任务的"有序性"（先做什么，后做什么）
典型场景	多个任务访问同一串口、全局变量、硬件外设等	任务A等待任务B完成初始化、中断通知任务处理数据等
关键特性	优先级继承、所有权	信号量计数、事件标志位组合等

互斥的使用原则

最小持有时间：获取互斥锁后，应尽快完成对共享资源的操作并释放锁，减少其他任务的等待时间。
避免嵌套死锁：不要在持有一个互斥锁时尝试获取另一个互斥锁（或同一锁），否则可能导致任务相互等待（死锁）。
适配场景：仅对"需要独占访问的共享资源"使用互斥锁，无需保护的资源（如只读变量）无需加锁，避免过度消耗系统资源。

总结

互斥是FreeRTOS中保障共享资源安全访问的核心机制，通过互斥锁实现"同一时间仅一个任务访问资源"，并通过优先级继承解决实时性问题。它与同步机制（如信号量）相辅相成：同步确保任务"按顺序执行"，互斥确保资源"被安全访问"，共同支撑多任务系统的稳定运行。