韦东山freeRTOS系列教程之第四章同步互斥与通信

Posted 2021-12-18 韦东山

文章目录

• 系列教程总目录
• 概述
• 4.1 同步与互斥的概念
• 4.2 同步与互斥并不简单
• 4.3 各类方法的对比

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系列教程总目录

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概述

本章是概述性的内容。可以把多任务系统当做一个团队，里面的每一个任务就相当于团队里的一个人。团队成员之间要协调工作进度(同步)、争用会议室(互斥)、沟通(通信)。多任务系统中所涉及的概念，都可以在现实生活中找到例子。

各类RTOS都会涉及这些概念：任务通知(task notification)、队列(queue)、事件组(event group)、信号量(semaphoe)、互斥量(mutex)等。我们先站在更高角度来讲解这些概念。

4.1 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"。

有时候看代码更容易理解，伪代码如下：

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。

4.2 同步与互斥并不简单

4.3 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：

• A获取资源，用完后A释放资源
• A获取不到资源则阻塞，B释放资源并把A唤醒
• 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B释放资源而被唤醒。

这些内核对象五花八门，记不住怎么办？我也记不住，通过对比的方法来区分它们。

• 能否传信息？只能传递状态？
• 为众生？只为你？
• 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	只能A开锁	A上锁	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