详解FreeRTOS中的信号量(semaphore)

Posted 闪耀大叔

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了详解FreeRTOS中的信号量(semaphore)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

信号，顾名思义最基础的作用是通知，量，表示数量，意思就是可以有多个信号。在不同的场景延伸下，还有同步和互斥访问资源的作用（这都是通知作用的延伸）。

当"量"没有限制时，它就是"计数型信号量"(Counting Semaphores)

当"量"只有0、1两个取值时，它就是"二进制信号量"(Binary Semaphores)

参考资料：

FreeRTOS全解析-8.信号量(semaphore)

目录

1.二进制信号量

1.1创建二进制信号量

1.2 give/take

1.3删除

1.4例子

2.计数信号量

1.二进制信号量

二进制信号量和我们裸机编程时经常设置的flag很像。比如某个数据好了，或者某个行为做了，我们就设置flag为1，类似的在FreeRTOS中就可以give给出一个信号量。flag触发了些操作后往往会被重置为0，类似的take信号量后信号量会减少为0。

take和give是信号量的术语。意思就是“获取信号量”和“给出信号量”。

为了彻底理解它，先来看一下他的同步作用的例子，上篇文章讲到推迟中断处理。

FreeRTOS全解析-7.中断安全API和推迟中断处理

可以将延迟处理任务的优先级设置最高，然后，在ISR中调用portYIELD_FROM_ISR()，ISR结束后会运行延迟处理的任务（因为它优先级最高）。这样可以确保整个事件处理及时连续地执行，就像所有事件处理都是在ISR本身中实现的一样。也可以使用二进制信号量实现这个效果。

Task2就是中断推迟处理任务。

t1时Task1运行，Task2阻塞等待信号量，t2时发生中断，ISR执行，give一个信号量解除Task2的阻塞态，t3时Task2运行，结束后继续等待下一个信号量。

在这种情况下，二进制信号量可以被认为是一个长度为1的队列。

队列在任何时候最多可以包含一个项，所以总是空的或满的(因此是二进制).

中断延迟处理任务通过调用xSemaphoreTake()，尝试从队列中读取数据，如果队列为空，则导致任务进入阻塞状态。当事件发生时，ISR使用xSemaphoreGiveFromISR()函数将一个信号量放入队列，使队列满。这将导致中断延迟处理任务退出Blocked状态并删除信号量，使队列再次为空。当任务完成处理后，它再次尝试从队列中读取，发现队列为空，重新进入Blocked状态以等待下一个事件。

1.1创建二进制信号量

在使用信号量之前，必须先创建信号量。

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void );

如果返回NULL，则不能创建信号量，因为没有足够的堆内存供FreeRTOS分配信号量数据结构。

返回非NULL值表示信号量已成功创建。返回值为创建的信号量的句柄。

也可以静态创建

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );

1.2 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：

在任务中使用在ISR中使用
givexSemaphoreGivexSemaphoreGiveFromISR
takexSemaphoreTakexSemaphoreTakeFromISR
BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(                   SemaphoreHandle_t xSemaphore,                   BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);BaseType_t xSemaphoreTake(                   SemaphoreHandle_t xSemaphore,                   TickType_t xTicksToWait);BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(                   SemaphoreHandle_t xSemaphore,                   BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken  );

xSemaphore就是要获取的信号量句柄。

xTicksToWait决定了，假如没有信号量时，任务进入阻塞态以等待有信号量的等待时间。如果xTicksToWait为零，那么如果信号量不可用，xSemaphoreTake()将立即返回。阻塞时间以滴答周期指定，宏pdMS_TO_TICKS()可用于将以毫秒为单位指定的时间转换为以tick为单位指定的时间。如果将xTicksToWait设置为portMAX_DELAY（前提是FreeRTOSConfig.h中INCLUDE_vTaskSuspend设置为1）将导致任务无限期地等待(没有超时)。

pxHigherPriorityTaskWoken在上一篇解释过了，用于判断是否有更高优先级的任务等待唤醒。

1.3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：

void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

1.4例子

如下代码所示：

vPeriodicTask周期性产生中断，产生中断前打印Periodic task - About to generate an interrupt，中断处理后打印Periodic task - Interrupt generated其ISR为ulExampleInterruptHandlergive信号量，该中断推迟处理任务为vHandlerTasktake信号量，并打印Handler task - Processing event​​​​​​​

#define mainINTERRUPT_NUMBER 3/*周期产生中断*/static void vPeriodicTask( void *pvParameters )  const TickType_t xDelay500ms = pdMS_TO_TICKS( 500UL );  for( ;; )   /* 阻塞500ms. */  vTaskDelay( xDelay500ms );  vPrintString( "Periodic task - About to generate an interrupt.\\r\\n" );  /*该函数用于产生一个中断*/  vPortGenerateSimulatedInterrupt( mainINTERRUPT_NUMBER );  vPrintString( "Periodic task - Interrupt generated.\\r\\n\\r\\n\\r\\n" );   /*推迟中断处理任务*/static void vHandlerTask( void *pvParameters )  for( ;; )     /*获取信号量*/    xSemaphoreTake( xBinarySemaphore, portMAX_DELAY );    /*用打印模拟处理*/    vPrintString( "Handler task - Processing event.\\r\\n" );  /*中断处理例程ISR*/static uint32_t ulExampleInterruptHandler( void )  BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken;  xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;  /* 给出信号 */  xSemaphoreGiveFromISR( xBinarySemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken );  portYIELD_FROM_ISR( xHigherPriorityTaskWoken );int main( void )  xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary();  if( xBinarySemaphore != NULL )     xTaskCreate( vHandlerTask, "Handler", 1000, NULL, 3, NULL );    xTaskCreate( vPeriodicTask, "Periodic", 1000, NULL, 1, NULL );     /*配置软中断*/    vPortSetInterruptHandler( mainINTERRUPT_NUMBER, ulExampleInterruptHandler );    vTaskStartScheduler();    for( ;; );

时序图如下：

2.计数信号量

就像二进制信号量可以被认为是长度为1的队列一样，计数信号量可以被认为是长度大于1的队列。任务可以往这个队列放数据(give)，也可以取走数据(take),但是只对数据的数目感兴趣，而无关是什么数据。

要使用计数信号量首先要将FreeRTOSConfig.h中的configUSE_COUNTING_SEMAPHORES必须设置为1。

计数信号量通常用于两种情况:

1.事件计数

在这种情况下，事件处理程序将在每次事件发生时“give”一个信号量——导致信号量的计数值在每次“give”时增加。任务每次处理一个事件时都会“take”一个信号量，导致信号量的计数值在每次“take”时递减。计数值是已发生的事件数与已处理的事件数之间的差值。用于对事件进行计数的计数信号量的初始计数值为0。

2. 资源管理。

在这种情况下，计数值表示可用资源的数量。要获得对资源的控制，任务必须首先“take”一个信号量——减去信号量的计数值。当计数值为0时，表示没有空闲资源。当一个任务完成对资源的处理后，它将信号量的计数值向后递增“give”信号量。

创建计数信号量：

/* 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 uxInitialCount);
/* 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 );

其余函数都和二进制信号量一样。

更多的关于信号量的使用的例子将在今后的文章中提到。

java中的信号量Semaphore

       Semaphore当前在多线程环境下被扩放使用，操作系统的信号量是个很重要的概念，在进程控制方面都有应用。Java 并发库 的Semaphore 可以很轻松完成信号量控制，Semaphore可以控制某个资源可被同时访问的个数，通过 acquire() 获取一个许可，如果没有就等待，而 release() 释放一个许可。比如在Windows下可以设置共享文件的最大客户端访问个数。 

Semaphore实现的功能就类似厕所有5个坑，假如有10个人要上厕所，那么同时只能有多少个人去上厕所呢？同时只能有5个人能够占用，当5个人中 的任何一个人让开后，其中等待的另外5个人中又有一个人可以占用了。另外等待的5个人中可以是随机获得优先机会，也可以是按照先来后到的顺序获得机会，这取决于构造Semaphore对象时传入的参数选项。单个信号量的Semaphore对象可以实现互斥锁的功能，并且可以是由一个线程获得了“锁”，再由另一个线程释放“锁”，这可应用于死锁恢复的一些场合。
Semaphore维护了当前访问的个数，提供同步机制，控制同时访问的个数。在数据结构中链表可以保存“无限”的节点，用Semaphore可以实现有限大小的链表。另外重入锁 ReentrantLock 也可以实现该功能，但实现上要复杂些。 

下面的Demo中申明了一个只有5个许可的Semaphore，而有20个线程要访问这个资源，通过acquire()和release()获取和释放访问许可。

 

/**
 * qccr.com Inc.
 * Copyright (c) 2014-2016 All Rights Reserved.
 */
package com.qccr.ikeeper.web.rcache;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;

/**
 * @author chenghuanhuan@qccr.com
 * @since $Revision:1.0.0, $Date: 2017年03月05日 下午9:44 $
 */
public class TestSemaphore {
    public static void main(String[] args) {

        // 线程池

        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

        // 只能5个线程同时访问

        final Semaphore semp = new Semaphore(5);

        // 模拟20个客户端访问

        for (int index = 0; index < 20; index++) {

            final int NO = index;

            Runnable run = new Runnable() {

                public void run() {

                    try {

                        // 获取许可

                        semp.acquire();

                        System.out.println("Accessing: " + NO);

                        Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));

                        // 访问完后，释放

                        semp.release();

                        System.out.println("-----------------"+semp.availablePermits());

                    } catch (InterruptedException e) {

                        e.printStackTrace();

                    }

                }

            };

            exec.execute(run);

        }

        // 退出线程池

        exec.shutdown();

    }


}

转载自 http://www.cnblogs.com/whgw/archive/2011/09/29/2195555.html

以上是关于详解FreeRTOS中的信号量(semaphore)的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

FreeRTOS入门（03）：队列信号量互斥量

基于STM32和FreeRTOS的二值信号量实现任务同步

基于STM32和FreeRTOS的二值信号量实现任务同步

基于STM32和FreeRTOS的二值信号量实现任务同步

多线程之Semaphore详解

并发编程Semaphore详解