FreeRTOS信号量和互斥量

信息量

简介

信号量是一种解决同步问题的机制，可以实现对共享资源的有序访问。前面介绍的队列(queue)可以用于传输数据：在任务之间、任务和中断之间。

消息队列用于传输多个数据，但是有时候我们只需要传递状态，这个状态值需要用一个数值表示。在这种情况下我们只需要维护一个数值，使用信号量效率更高、更节省内存。

特点

1、当计数值大于0，代表有信号量资源。

2、当释放信号量，信号量计数值（资源数）加一。

3、当获取信号量，信号量计数值（资源数）减一。

4、信号量：用于传递状态。

5、当信号量如果最大值被限定为1，那么它就是二值信号量；如果最大值不是1，它就是计数型信号量。

二进制信号量跟计数型信号量的区别

二进制信号量跟计数型的唯一差别，就是计数值的最大值被限定为1。

信号量跟队列的对比

这里的生产者指的是give信号量的任务，消费者是take信号量的任务。

信号量函数

创建

使用信号量之前，要先创建，得到一个句柄；使用信号量时，要使用句柄来表明使用哪个信号量。 对于二进制信号量、计数型信号量，它们的创建函数不一样：

创建二进制信号量的函数原型如下：

/* 创建一个二进制信号量，返回它的句柄。
* 此函数内部会分配信号量结构体
* 返回值: 返回句柄，非 NULL 表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void );
/* 创建一个二进制信号量，返回它的句柄。
* 此函数无需动态分配内存，所以需要先有一个 StaticSemaphore_t 结构体，并传入它的指
针
* 返回值: 返回句柄，非 NULL 表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffe
r );

创建计数型信号量的函数原型如下：

/* 创建一个计数型信号量，返回它的句柄。
* 此函数内部会分配信号量结构体
* uxMaxCount: 最大计数值
* uxInitialCount: 初始计数值
* 返回值: 返回句柄，非 NULL 表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t ux
InitialCount);
/* 创建一个计数型信号量，返回它的句柄。
* 此函数无需动态分配内存，所以需要先有一个 StaticSemaphore_t 结构体，并传入它的指
针
* uxMaxCount: 最大计数值
* uxInitialCount: 初始计数值
* pxSemaphoreBuffer: StaticSemaphore_t 结构体指针
* 返回值: 返回句柄，非 NULL 表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic( UBaseType_t uxMaxCount,UBaseType_t uxInitialCount,StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );

删除

对于动态创建的信号量，不再需要它们时，可以删除它们以回收内存。

vSemaphoreDelete 可以用来删除二进制信号量、计数型信号量，函数原型如下：

/*
* xSemaphore: 信号量句柄，你要删除哪个信号量
*/
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

获取信号量当前计数值大小

uxSemaphoreGetCount( xSemaphore)；

返回值：计数值。参数：信号量的句柄。

give/take

二进制信号量、计数型信号量的 give 、 take 操作函数是一样的。这些函数也分为 2 个版本：给任务使用，给 ISR 使用。列表如下：

xSemaphoreGive 的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

xSemaphoreGiveFromISR 函数的参数与返回值列表如下：

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);

xSemaphoreTake 函数的参数与返回值列表如下：

BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait);

xSemaphoreTakeFromISR 的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR( SemaphoreHandle_t xSemaphore, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);

这里有一点需要读者留意，ISR函数里面有一个BaseType_t*pxHigherPriorityTaskWoken ，和相对另一个参数TickType_t xTicksToWait却不一样，这里是因为，在中断里面调用take ，因为中断无法被阻塞，我们不能设置需要等待的tick，我们会设置这个参数，来告诉是否有任务因为中断读取信号量而变成了就绪态，之后根据这个值，决定是否进行任务调度，去切换任务。

主要作用：优先级翻转

简介：优先级翻转：高优先级的任务反而慢执行，低优先级的任务反而优先执行。

实质：无非就是高优先级的任务take信号量失败，导致自己被阻塞，然后低优先级任务乘虚而入，等到低优先级任务执行完，才释放信号量，高优先级任务才得以take到信号量，回到ready状态。

总结：高优先级任务被低优先级任务阻塞，导致高优先级任务迟迟得不到调度。但其他中等优先级的任务却能抢到CPU资源。从现象上看，就像是中优先级的任务比高优先级任务具有更高的优先权（即优先级翻转）。

互斥量

简介

互斥信号量其实就是一个拥有优先级继承的二值信号量，在同步的应用中二值信号量最适合。互斥信号量适合用于那些需要互斥访问的应用中！

优先级继承

当一个互斥信号量正在被一个低优先级的任务持有时，如果此时有个高优先级的任务也尝试获取这个互斥信号量，那么这个高优先级的任务就会被阻塞。 不过这个高优先级的任务会将低优先级任务的优先级提升到与自己相同的优先级。

互斥量的使用场合

在多任务系统中，任务 A 正在使用某个资源，还没用完的情况下任务 B 也来使用的话，就可能导致问题。

比如对于串口，任务A 正使用它来打印，在打印过程中任务 B 也来打印，客户看到的结果就是A 、 B 的信息混杂在一起。

上述问题的解决方法是：任务A 访问这些全局变量、函数代码时，独占它，就是上个锁。这些全局变量、函数代码必须被独占地使用，它们被称为临界资源。

互斥量也被称为互斥锁，使用过程如下：

互斥量函数

创建

互斥量是一种特殊的二进制信号量。

使用互斥量时，先创建、然后去获得、释放它。使用句柄来表示一个互斥量。创建互斥量的函数有2种：动态分配内存，静态分配内存，函数原型如下：

动态分配内存：

/* 创建一个互斥量，返回它的句柄。
* 此函数内部会分配互斥量结构体
* 返回值: 返回句柄，非 NULL 表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex( void );

静态分配内存：

/* 创建一个互斥量，返回它的句柄。
* 此函数无需动态分配内存，所以需要先有一个 StaticSemaphore_t 结构体，并传入它的
指针
* 返回值: 返回句柄，非 NULL 表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutexStatic( StaticSemaphore_t *pxMutexBuffer );

要想使用互斥量，需要在配置文件FreeRTOSConfig.h中定义：#define configUSE_MUTEXES 1

删除

/*
* xSemaphore: 信号量句柄，你要删除哪个信号量, 互斥量也是一种信号量
*/
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

释放

BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

获得

BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait);

互斥量不能在ISR中使用

原因如下：

(1) 互斥信号量有任务优先级继承的机制，但是中断不是任务，没有任务优先级，所以互斥信号量只能用与任务中，不能用于中断服务函数。

(2) 中断服务函数中不能因为要等待互斥信号量而设置阻塞时间进入阻塞态。

FreeRTOS 提供了专门用于在 ISR 中操作的函数，如 xSemaphoreGiveFromISR 和 xSemaphoreTakeFromISR，这些函数经过设计以确保在 ISR 上下文中操作信号量的安全性和有效性。这些函数在实现上会考虑到互斥量的特殊性和需求。

总结

信号量：

信号量就是特殊的队列。

队列里使用环形缓冲区存放数据，

信号量里只记录计数值。

互斥量：

互斥量就是特殊的队列。

互斥量更是特殊的信号量，

互斥量实现了优先级继承。

至于信号量和互斥量的内部机制，我们可以知道，他们都是特殊的队列，实际上和队列的内部机制几乎一样，如果想要了解，可以去看我FreeRTOS消息队列，里面有队列的内部机制讲解。