韦东山freeRTOS系列教程之第七章互斥量(mutex)

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概述

怎么独享厕所?自己开门上锁,完事了自己开锁。

你当然可以进去后,让别人帮你把门:但是,命运就掌握在别人手上了。

使用队列、信号量,都可以实现互斥访问,以信号量为例:

  • 信号量初始值为1
  • 任务A想上厕所,"take"信号量成功,它进入厕所
  • 任务B也想上厕所,"take"信号量不成功,等待
  • 任务A用完厕所,"give"信号量;轮到任务B使用

这需要有2个前提:

  • 任务B很老实,不撬门(一开始不"give"信号量)
  • 没有坏人:别的任务不会"give"信号量

可以看到,使用信号量确实也可以实现互斥访问,但是不完美。

使用互斥量可以解决这个问题,互斥量的名字取得很好:

  • 量:值为0、1
  • 互斥:用来实现互斥访问

它的核心在于:谁上锁,就只能由谁开锁。

很奇怪的是,FreeRTOS的互斥锁,并没有在代码上实现这点:

  • 即使任务A获得了互斥锁,任务B竟然也可以释放互斥锁。
  • 谁上锁、谁释放:只是约定。

本章涉及如下内容:

  • 为什么要实现互斥操作

  • 怎么使用互斥量

  • 互斥量导致的优先级反转、优先级继承

7.1 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。

这种现象很常见:

  • 访问外设:刚举的串口例子

  • 读、修改、写操作导致的问题
    对于同一个变量,比如int a,如果有两个任务同时写它就有可能导致问题。
    对于变量的修改,C代码只有一条语句,比如:a=a+8;,它的内部实现分为3步:读出原值、修改、写入。

我们想让任务A、B都执行add_a函数,a的最终结果是1+8+8=17
假设任务A运行完代码①,在执行代码②之前被任务B抢占了:现在任务A的R0等于1。
任务B执行完add_a函数,a等于9。
任务A继续运行,在代码②处R0仍然是被抢占前的数值1,执行完②③的代码,a等于9,这跟预期的17不符合。

  • 对变量的非原子化访问
    修改变量、设置结构体、在16位的机器上写32位的变量,这些操作都是非原子的。也就是它们的操作过程都可能被打断,如果被打断的过程有其他任务来操作这些变量,就可能导致冲突。

  • 函数重入
    “可重入的函数"是指:多个任务同时调用它、任务和中断同时调用它,函数的运行也是安全的。可重入的函数也被称为"线程安全”(thread safe)。
    每个任务都维持自己的栈、自己的CPU寄存器,如果一个函数只使用局部变量,那么它就是线程安全的。
    函数中一旦使用了全局变量、静态变量、其他外设,它就不是"可重入的",如果改函数正在被调用,就必须阻止其他任务、中断再次调用它。

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:

  • 互斥量初始值为1
  • 任务A想访问临界资源,先获得并占有互斥量,然后开始访问
  • 任务B也想访问临界资源,也要先获得互斥量:被别人占有了,于是阻塞
  • 任务A使用完毕,释放互斥量;任务B被唤醒、得到并占有互斥量,然后开始访问临界资源
  • 任务B使用完毕,释放互斥量

正常来说:在任务A占有互斥量的过程中,任务B、任务C等等,都无法释放互斥量。

但是FreeRTOS未实现这点:任务A占有互斥量的情况下,任务B也可释放互斥量。

7.2 互斥量函数

7.2.1 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:

/* 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 );

/* 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

7.2.2 其他函数

要注意的是,互斥量不能在ISR中使用。

各类操作函数,比如删除、give/take,跟一般是信号量是一样的。

/*
 * 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 );

/* 释放(ISR版本) */
BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(
                       SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                       BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                   );

/* 获得 */
BaseType_t xSemaphoreTake(
                   SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                   TickType_t xTicksToWait
               );
/* 获得(ISR版本) */
xSemaphoreGiveFromISR(
                       SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                       BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                   );

7.3 示例15: 互斥量基本使用

本节代码为: FreeRTOS_15_mutex

使用互斥量时有如下特点:

  • 刚创建的互斥量可以被成功"take"
  • “take"互斥量成功的任务,被称为"holder”,只能由它"give"互斥量;别的任务"give"不成功
  • 在ISR中不能使用互斥量

本程序创建2个发送任务:故意发送大量的字符。可以做2个实验:

  • 使用互斥量:可以看到任务1、任务2打印的字符串没有混杂在一起
  • 不使用互斥量:任务1、任务2打印的字符串混杂在一起

main函数代码如下:

/* 互斥量句柄 */
SemaphoreHandle_t xMutex;

int main( void )

	prvSetupHardware();
	
    /* 创建互斥量 */
    xMutex = xSemaphoreCreateMutex( );


	if( xMutex != NULL )
	
		/* 创建2个任务: 都是打印
		 * 优先级相同
		 */
		xTaskCreate( vSenderTask, "Sender1", 1000, (void *)1, 1, NULL );
		xTaskCreate( vSenderTask, "Sender2", 1000, (void *)2, 1, NULL );

		/* 启动调度器 */
		vTaskStartScheduler();
	
	else
	
		/* 无法创建互斥量 */
	

	/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
	return 0;

发送任务的函数如下:

static void vSenderTask( void *pvParameters )

	const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 10UL );	
	int cnt = 0;
	int task = (int)pvParameters;
	int i;
	char c;
	
	/* 无限循环 */
	for( ;; )
		
		/* 获得互斥量: 上锁 */
		xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY);
		
		printf("Task %d use UART count: %d, ", task, cnt++);
		c = (task == 1 ) ? 'a' : 'A';
		for (i = 0; i < 26; i++)
			printf("%c", c + i);
		printf("\\r\\n");
		
		/* 释放互斥量: 开锁 */
		xSemaphoreGive(xMutex);
		
		vTaskDelay(xTicksToWait);
	

可以做两个实验:vSenderTask函数的for循环中xSemaphoreTake和xSemaphoreGive这2句代码保留、不保留

  • 保留:实验现象如下图左边,任务1、任务2的打印信息没有混在一起
  • 不保留:实验现象如下图右边,打印信息混杂在一起

程序运行结果如下图所示:

7.4 示例16: 谁上锁就由谁解锁?

互斥量、互斥锁,本来的概念确实是:谁上锁就得由谁解锁。

但是FreeRTOS并没有实现这点,只是要求程序员按照这样的惯例写代码。

本节代码为: FreeRTOS_16_mutex_who_give

main函数创建了2个任务:

  • 任务1:高优先级,一开始就获得互斥锁,永远不释放。
  • 任务2:任务1阻塞时它开始执行,它先尝试获得互斥量,失败的话就监守自盗(释放互斥量、开锁),然后再上锁

代码如下:

int main( void )

	prvSetupHardware();
	
    /* 创建互斥量 */
    xMutex = xSemaphoreCreateMutex( );

	if( xMutex != NULL )
	
		/* 创建2个任务: 一个上锁, 另一个自己监守自盗(开别人的锁自己用)
		 */
		xTaskCreate( vTakeTask, "Task1", 1000, NULL, 2, NULL );
		xTaskCreate( vGiveAndTakeTask, "Task2", 1000, NULL, 1, NULL );

		/* 启动调度器 */
		vTaskStartScheduler();
	
	else
	
		/* 无法创建互斥量 */
	

	/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
	return 0;

两个任务的代码和执行流程如下图所示:

  • A:任务1的优先级高,先运行,立刻上锁
  • B:任务1阻塞
  • C:任务2开始执行,尝试获得互斥量(上锁),超时时间设为0。根据返回值打印出:上锁失败
  • D:任务2监守自盗,开锁,成功!
  • E:任务2成功获得互斥量
  • F:任务2阻塞

可见,任务1上的锁,被任务2解开了。所以,FreeRTOS并没有实现"谁上锁就得由谁开锁"的功能。

程序运行结果如下图所示:

7.5 示例17: 优先级反转

假设任务A、B都想使用串口,A优先级比较低:

  • 任务A获得了串口的互斥量
  • 任务B也想使用串口,它将会阻塞、等待A释放互斥量
  • 高优先级的任务,被低优先级的任务延迟,这被称为"优先级反转"(priority inversion)

如果涉及3个任务,可以让"优先级反转"的后果更加恶劣。

本节代码为: FreeRTOS_17_mutex_inversion

互斥量可以通过"优先级继承",可以很大程度解决"优先级反转"的问题,这也是FreeRTOS中互斥量和二级制信号量的差别。

本节程序使用二级制信号量来演示"优先级反转"的恶劣后果。

main函数创建了3个任务:LPTask/MPTask/HPTask(低/中/高优先级任务),代码如下:

/* 互斥量/二进制信号量句柄 */
SemaphoreHandle_t xLock;

int main( void )

	prvSetupHardware();
	
    /* 创建互斥量/二进制信号量 */
    xLock = xSemaphoreCreateBinary( );


	if( xLock != NULL )
	
		/* 创建3个任务: LP,MP,HP(低/中/高优先级任务)
		 */
		xTaskCreate( vLPTask, "LPTask", 1000, NULL, 1, NULL );
		xTaskCreate( vMPTask, "MPTask", 1000, NULL, 2, NULL );
		xTaskCreate( vHPTask, "HPTask", 1000, NULL, 3, NULL );

		/* 启动调度器 */
		vTaskStartScheduler();
	
	else
	
		/* 无法创建互斥量/二进制信号量 */
	

	/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
	return 0;

LPTask/MPTask/HPTask三个任务的代码和运行过程如下图所示:

  • A:HPTask优先级最高,它最先运行。在这里故意打印,这样才可以观察到flagHPTaskRun的脉冲。
  • HP Delay:HPTask阻塞
  • B:MPTask开始运行。在这里故意打印,这样才可以观察到flagMPTaskRun的脉冲。
  • MP Delay:MPTask阻塞
  • C:LPTask开始运行,获得二进制信号量,然后故意打印很多字符
  • D:HP Delay时间到,HPTask恢复运行,它无法获得二进制信号量,一直阻塞等待
  • E:MP Delay时间到,MPTask恢复运行,它比LPTask优先级高,一直运行。导致LPTask无法运行,自然无法释放二进制信号量,于是HPTask用于无法运行。

总结:

  • LPTask先持有二进制信号量,
  • 但是MPTask抢占LPTask,是的LPTask一直无法运行也就无法释放信号量,
  • 导致HPTask任务无法运行
  • 优先级最高的HPTask竟然一直无法运行!

程序运行的时序图如下:

7.6 示例18: 优先级继承

本节代码为: FreeRTOS_18_mutex_inheritance

示例17的问题在于,LPTask低优先级任务获得了锁,但是它优先级太低而无法运行。

如果能提升LPTask任务的优先级,让它能尽快运行、释放锁,"优先级反转"的问题不就解决了吗?

把LPTask任务的优先级提升到什么水平?

优先级继承:

  • 假设持有互斥锁的是任务A,如果更高优先级的任务B也尝试获得这个锁
  • 任务B说:你既然持有宝剑,又不给我,那就继承我的愿望吧
  • 于是任务A就继承了任务B的优先级
  • 这就叫:优先级继承
  • 等任务A释放互斥锁时,它就恢复为原来的优先级
  • 互斥锁内部就实现了优先级的提升、恢复

本节源码是在FreeRTOS_17_mutex_inversion 的代码上做了一些简单修改:

int main( void )

	prvSetupHardware();
	
    /* 创建互斥量/二进制信号量 */
    //xLock = xSemaphoreCreateBinary( );
	xLock = xSemaphoreCreateMutex( );

运行时序图如下图所示:

  • A:HPTask执行xSemaphoreTake(xLock, portMAX_DELAY);,它的优先级被LPTask继承
  • B:LPTask抢占MPTask,运行
  • C:LPTask执行xSemaphoreGive(xLock);,它的优先级恢复为原来值
  • D:HPTask得到互斥锁,开始运行
  • 互斥锁的"优先级继承",可以减小"优先级反转"的影响

7.7 递归锁

7.7.1 死锁的概念

日常生活的死锁:我们只招有工作经验的人!我没有工作经验怎么办?那你就去找工作啊!

假设有2个互斥量M1、M2,2个任务A、B:

  • A获得了互斥量M1
  • B获得了互斥量M2
  • A还要获得互斥量M2才能运行,结果A阻塞
  • B还要获得互斥量M1才能运行,结果B阻塞
  • A、B都阻塞,再无法释放它们持有的互斥量
  • 死锁发生!

7.7.2 自我死锁

假设这样的场景:

  • 任务A获得了互斥锁M
  • 它调用一个库函数
  • 库函数要去获取同一个互斥锁M,于是它阻塞:任务A休眠,等待任务A来释放互斥锁!
  • 死锁发生!

7.7.3 函数

怎么解决这类问题?可以使用递归锁(Recursive Mutexes),它的特性如下:

  • 任务A获得递归锁M后,它还可以多次去获得这个锁
  • "take"了N次,要"give"N次,这个锁才会被释放

递归锁的函数根一般互斥量的函数名不一样,参数类型一样,列表如下:

递归锁一般互斥量
创建xSemaphoreCreateRecursiveMutexxSemaphoreCreateMutex
获得xSemaphoreTakeRecursivexSemaphoreTake
释放xSemaphoreGiveRecursivexSemaphoreGive

函数原型如下:

/* 创建一个递归锁,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 xSemaphoreCreateRecursiveMutex( void );


/* 释放 */
BaseType_t xSemaphoreGiveRecursive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

/* 获得 */
BaseType_t xSemaphoreTakeRecursive(
                   SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                   TickType_t xTicksToWait
               );

7.7.4 示例19: 递归锁

本节代码为: FreeRTOS_19_mutex_recursive

递归锁实现了:谁上锁就由谁解锁。

本程序从FreeRTOS_16_mutex_who_give修改得来,它的main函数里创建了2个任务

  • 任务1:高优先级,一开始就获得递归锁,然后故意等待很长时间,让任务2运行
  • 任务2:低优先级,看看能否操作别人持有的锁

main函数代码如下:

/* 递归锁句柄 */
SemaphoreHandle_t xMutex;

int main( void )

	prvSetupHardware();
	
    /* 创建递归锁 */
    xMutex = xSemaphoreCreateRecursiveMutex( );

	if( xMutex != NULL )
	
		/* 创建2个任务: 一个上锁, 另一个自己监守自盗(看看能否开别人的锁自己用)
		 */
		xTaskCreate( vTakeTask, "Task1", 1000, NULL, 2, NULL );
		xTaskCreate( vGiveAndTakeTask, "Task2", 1000, NULL, 1, NULL );

		/* 启动调度器 */
		vTaskStartScheduler();
	
	else
	
		/* 无法创建递归锁 */
	

	/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
	return 0;

两个任务经过精细设计,代码和运行流程如下图所示:

  • A:任务1优先级最高,先运行,获得递归锁

  • B:任务1阻塞,让任务2得以运行

  • C:任务2运行,看看能否获得别人持有的递归锁:不能

  • D:任务2故意执行"give"操作,看看能否释放别人持有的递归锁:不能

  • E:任务2等待递归锁

  • F:任务1阻塞时间到后继续运行,使用循环多次获得、释放递归锁

  • 递归锁在代码上实现了:谁持有递归锁,必须由谁释放。

程序运行结果如下图所示:

7.8 常见问题

使用互斥量的两个任务是相同优先级时的注意事项。

以上是关于韦东山freeRTOS系列教程之第七章互斥量(mutex)的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

韦东山freeRTOS系列教程之第十三章调试方法

韦东山freeRTOS系列教程之第五章队列(queue)

韦东山freeRTOS系列教程之第九章任务通知(Task Notifications)

韦东山freeRTOS系列教程之第六章队列(queue)

韦东山freeRTOS系列教程之第八章事件组(event group)

韦东山freeRTOS系列教程之第十一章中断管理(Interrupt Management)