同步互斥与通信

一、同步与互斥的概念

二、同步与互斥并不简单

三、各类方法的对比

一、同步与互斥的概念

一句话理解同步与互斥：我等你用完厕所，我再用厕所。

什么叫同步？就是：哎哎哎，我正在用厕所，你等会。

什么叫互斥？就是：哎哎哎，我正在用厕所，你不能进来。

同步与互斥经常放在一起讲，是因为它们之的关系很大，“互斥”操作可以使用“同步”来实现。我“等”你用完厕所，我再用厕所。这不就是用“同步”来实现“互斥”吗？

再举一个例子。在团队活动里，同事A先写完报表，经理B才能拿去向领导汇报。

经理B必须等同事A完成报表，AB之间有依赖，B必须放慢脚步，被称为同步。在团队活动中，同事A已经使用会议室了，经理B也想使用，即使经理B是领导，他也得等着，这就叫互斥。经理B跟同事A说：你用完会议室就提醒我。这就是使用"同步"来实现"互斥"。

01 void 抢厕所(void)
02 {
03     if (有人在用) 我眯一会;
04     用厕所;
05     喂，醒醒，有人要用厕所吗;
06 }

假设有A、B两人早起抢厕所，A先行一步占用了；B慢了一步，于是就眯一会；当A用完后叫醒B，B也就愉快地上厕所了。

在这个过程中，A、B是互斥地访问“厕所”，“厕所”被称之为临界资源。我们使用了“休眠-唤醒”的同步机制实现了“临界资源”的“互斥访问”。

同一时间只能有一个人使用的资源，被称为临界资源。比如任务A、B都要使用串口来打印，串口就是临界资源。如果A、B同时使用串口，那么打印出来的信息就是A、B混杂，无法分辨。所以使用串口时，应该是这样：A用完，B再用；B用完，A再用。

二、同步与互斥并不简单

在裸机程序里，可以使用一个全局变量或静态变量实现互斥操作，比如要互斥地使用 LCD，可以使用如下代码：

01 int LCD_PrintString(int x, int y, char *str)
02 {
03     static int bCanUse = 1;
04     if (bCanUse)
05     {
06         bCanUse = 0;
07         /* 使用LCD */
08         bCanUse = 1;
09         return 0;
10     }
11     return -1;
12 }

但是在 RTOS 里，使用上述代码实现互斥操作时，大概率是没问题的，但是无法确保万无一失。

假设如下场景：有两个任务 A、B 都想调用 LCD_PrintString，任务 A 执行到第 4 行代码时发现 bCanUse 为 1，可以进入 if 语句块，它还没执行第 6 句指令就被切换出去了；然后任务 B 也调用 LCD_PrintString，任务 B 执行到第 4 行代码时也发现 bCanUse 为 1，也可以进入 if 语句块使用 LCD。在这种情况下，使用静态变量并不能实现互斥操作。

上述例子中，是因为第 4、第 6 两条指令被打断了，那么如下改进：在函数入口处先然让 bCanUse 减一。这能否实现万无一失的互斥操作呢？

01 int LCD_PrintString(int x, int y, char *str)
02 {
03     static int bCanUse = 1;
04     bCanUse--;
05     if (bCanUse == 0)
06     {
07         /* 使用LCD */
08         bCanUse++;
09         return 0;
10     }
11     else
12     {
13         bCanUse++;
14         return -1;
15     }
16 }

把第 4 行的代码使用汇编指令表示如下：

04.1 LDR R0, [bCanUse] // 读取bCanUse的值，存入寄存器R0

04.2 DEC R0, #1 // 把R0的值减一

04.3 STR R0, [bCanUse] // 把R0写入变量bCanUse

假设如下场景：有两个任务 A、B 都想调用 LCD_PrintString，任务 A 执行到第 04.1 行代码时读到的 bCanUse 为 1，存入寄存器 R0 就被切换出去了；然后任务 B 也调用LCD_PrintString，任务 B 执行到第 4 行时发现 bCanUse 为 1 并把它减为 0，执行到第 5 行代码时发现条件成立可以进入 if 语句块使用 LCD，然后任务 B 也被切换出去了；现在任务 A 继续运行第 04.2 行代码时 R0 为 1，运行到第 04.3 行代码时把 bCanUse 设置为 0，后续也能成功进入 if 的语句块。在这种情况下，任务 A、B 都能使用 LCD。

上述方法不能保证万无一失的原因在于：在判断过程中，被打断了。如果能保证这个过程不被打断，就可以了：通过关闭中断来实现。

示例 1 的代码改进如下：在第 5~7 行前关闭中断。

01 int LCD_PrintString(int x, int y, char *str)
02 {
03     static int bCanUse = 1;
04     disable_irq();        //关闭中断
05     if (bCanUse)
06     {
07         bCanUse = 0;
08         enable_irq();    //开启中断
09         /* 使用LCD */
10         bCanUse = 1;
11         return 0;
12     }
13     enable_irq();        //开启中断
14     return -1;
15 }

示例 2 的代码改进如下：在第 5 行前关闭中断。

01 int LCD_PrintString(int x, int y, char *str)
02 {
03     static int bCanUse = 1;
04     disable_irq();
05     bCanUse--;
06     enable_irq();
07     if (bCanUse == 0)
08     {
09         /* 使用LCD */
10         bCanUse++;
11         return 0;
12     }
13     else
14     {
15         disable_irq();
16         bCanUse++;
17         enable_irq();
18         return -1;
19     }
20 }

关闭中断的方法并不是万无一失的：假设现在有任务A和任务B在执行以下函数，在A打印后过了1ms，B被调度，但B只是进行判断，但会一直失败，过了1msA被调度继续打印，打印完后过了1ms轮到B，B也是继续判断然后一直失败，这样子导致的结果是B占用了cpu资源，与同步例子类似，那么此时解决方法是：将B执行时若A已经在打印了，将B设置为阻塞状态，于是A继续打印，等到A打印完毕，将B唤醒，B才能正常打印。

void CalTask(void *params)//计时函数
{uint32_t i = 0;time = system_get_ns();//程序执行到此的时间for(i=0;i<10000000;i++){sum += i;}Cal_end = 1;//计算标志位置1time = system_get_ns() - time;//先计算程序到此的时间 再减去之前的时间 得到for循环中的时间vTaskDelete(NULL);
}void LcdPrintTask(void *params)
{int len;while(1){/* 打印信息 */LCD_PrintString(0,0,"waitting");vTaskDelay(2000);//让此任务进入阻塞状态 等上面任务执行完毕在执行这里 让下面的while死循环不会占用cpu资源 不调用此函数则不会进入阻塞 会一直死等 为同步例子while(Cal_end == 0);//这里是在等待上面的计数完毕 若不使用上一行的vTaskDelay函数 则会在这里死等 占用cpu资源 因为两个任务是交叉执行 若没有上一行的vTaskDelay函数 烧录完发现时间为2s左右 由于两个任务叫交叉执行 若将B任务删除只执行A任务 则时间差不多为一半即1ms 那么此时就可以调用vTaskDelay函数让此任务进入阻塞状态 让task1先执行 执行完毕计时标志位置1 同时vTaskDelay函数计时完毕后进入此时的死循环 此时计时标志位置1直接跳出循环 不会让程序卡在这里占用cpu资源 就可以准确计算出程序执行时间if(flag){flag = 0;LCD_ClearLine(0,0);len = LCD_PrintString(0,0,"Sum:");//这里的返回值是打印任务的长度len += LCD_PrintHex(len,0,sum,1);//将打印名字处后打印":"的长度一起加上 得到的长度是打印完任务名字和"："后的长度LCD_ClearLine(0,2);len = LCD_PrintString(0,2,"Time(ms):");len += LCD_PrintSignedVal(len,2,time/1000000);flag = 1;}vTaskDelete(NULL);}
}/* FreeRTOS.c中创建任务 */
xTaskCreate(CalTask,"taskA",128,NULL,osPriorityNormal,NULL);
xTaskCreate(LcdPrintTask,"taskB",128,&Task2,osPriorityNormal,NULL);

同步例子（任务B没有阻塞）

由结果可知，两个任务程序是交叉进行的，在RTOS中，任务级相同的任务每隔1s交叉运行，所以任务A执行1s（开始计时）后切到任务B，而A没执行完毕 flag 始终为 0，那么任务B就会死等（任务A没执行完毕，仍在计时） flag 为1，当B执行完A继续执行（继续计时）后 flag 为1后进入任务B才能成功计时完毕。可见时间大约为2s，若只有程序A执行，那么时间大约为1s左右。

互斥例子（任务B阻塞）

任务A不断计时，任务A执行完1s后任务B执行，而任务B中调用了阻塞函数，所以继续轮到任务A执行，任务A执行完毕跳转到任务B中B成功打印计时值。（这里的计数值主要来源于任务A，所以若任务A执行完毕，会停止计时，所以B中的阻塞延时（只是2s后延时）对于计时结果无影响，为了能够更好准确的得到计时值）

三、各类方法的对比

能实现同步、互斥的内核方法有：任务通知(task notification)、队列(queue)、事件组 (event group)、信号量(semaphoe)、互斥量(mutex)。

它们都有类似的操作方法：获取/释放、阻塞/唤醒、超时。比如：

任务 A 获取资源，用完后任务 A 释放资源
任务 A 获取不到资源则阻塞，任务 B 释放资源并把任务 A 唤醒
任务 A 获取不到资源则阻塞，并定个闹钟；A 要么超时返回，要么在这段时间内因为任务 B 释放资源而被唤醒。

通过对比的方法来区分：

能否传信息？还是只能传递状态？
为众生（所有任务都可以使用）？只为你（只能指定任务使用）？
我生产，你们消费？
我上锁，只能由我开锁

内核对象	生产者	消费者	数据/状态	说明
队列	ALL	ALL	数据：若干个数据谁都可以往队列里扔数据，谁都可以从队列里读数据	用来传递数据，发送者、接收者无限制，一个数据只能唤醒一个接收者
事件组	ALL	ALL	多个位：或、与谁都可以设置(生产)多个位，谁都可以等待某个位、若干个位	用来传递事件，可以是 N 个事件，发送者、接受者无限制，可以唤醒多个接收者：像广播
信号量	ALL	ALL	数量：0~n 谁都可以增加一个数量，谁都可消耗一个数量	用来维持资源的个数，生产者、消费者无限制， 1 个资源只能唤醒 1 个接收者
任务通知	ALL	只有我	数据、状态都可以传输，使用任务通知时，必须指定接受者	N 对 1 的关系：发送者无限制，接收者只能是这个任务
互斥量	A 上锁	只能 A 开锁	位：0、1 我上锁：1 变为 0，只能由我开锁：0 变为 1	就像一个空厕所，谁使用谁上锁，也只能由他开锁

使用图形对比如下：

队列：
- 里面可以放任意数据，可以放多个数据
- 任务、ISR 都可以放入数据；任务、ISR 都可以从中读出数据
事件组：
- 一个事件用一 bit 表示，1 表示事件发生了，0 表示事件没发生
- 可以用来表示事件、事件的组合发生了，不能传递数据
- 有广播效果：事件或事件的组合发生了，等待它的多个任务都会被唤醒
信号量：
- 核心是"计数值"
- 任务、ISR 释放信号量时让计数值加 1
- 任务、ISR 获得信号量时，让计数值减 1
任务通知：
- 核心是任务的 TCB 里的数值
- 会被覆盖
- 发通知给谁？必须指定接收任务
- 只能由接收任务本身获取该通知
互斥量：
- 数值只有 0 或 1
- 谁获得互斥量，就必须由谁释放同一个互斥量