CMSIS-RTOS 信号量

Posted 2021-01-01 zzdbullet

信号量Semaphores

和信号类似，信号量也是一种同步多个线程的方式，简单来讲，信号量就是装有一些令牌的容器。当一个线程在执行过程中，就可能遇到一个系统调用来获取信号量令牌，如果这个信号量包含多个令牌，线程就会继续执行，同时信号量令牌的数量就会减一。如果此时信号量中没有令牌，线程就会被置于等待状态，直到出现一个可用的令牌。在线程执行的任何位置，它都可以给信号量增加一个令牌。

信号量用来帮助访问程序资源，在一个线程允许访问一个信号量之前，它必须拥有一个令牌。如果没有令牌可用，它就必须等待，当线程使用完资源时，它就必须释放令牌。

上图揭示了两个线程如何使信号量同步。首先，必须创建一个信号量，并初始化令牌数目，在上图中，信号量初始化令牌数目为1。当两个线程运行到某一点时就试图从信号量中请求一个令牌，图中第一个线程到达这个点，成功获取一个令牌，然后继续执行，第二个线程也试图获取一个令牌，但是当前信号量为空，所以它暂停执行，并进入等待状态，直到信号量中有令牌可用。

与此同时，执行中的线程可以释放令牌给信号量，一旦释放完成，等待中的线程就会获取令牌，并离开等待状态进入准备状态。紧接着调度器就会把它调度到运行状态去执行剩下的代码。

因为信号量保含较多的系统调用，所以想一次性全部理解有些难度，在本节，我们将首先看看如何给系统添加信号量，然后了解一下常用的信号量应用。

在使用信号量之前，你必须先声明一个信号量容器：

osSemaphoreId sem1;
osSemaphoreDef(sem1);

然后在线程里给信号量容器初始化一些令牌：

sem1 = osSemaphoreCreate(osSemaphore(sem1), SIX_TOKENS);

有一点比较重要，就是在线程运行的过程中令牌既可以被创建也可以被销毁，举个例子，你可以初始化一个信号量，拥有0个令牌，然后用一个线程给这个信号量创建一些令牌，再使用另一个线程移除它们，这样一来，你就可以设计线程，既可以充当生产者的线程，也可以充当消费者的线程。

一旦信号量被创建，令牌就可能被获取，并以类似事件标志的方式发送给信号量，os_sem_wait调用来阻塞线程，直到有信号量令牌可用，类似os_event_wait，当然，在这个调用中同样拥有超时机制，超时初始值是0xFFFF。

osStatus osSemaphoreWait(osSemaphoreId semaphore_id, uint32_t millisec);

一旦线程完成对信号量资源的使用，它就可以给信号量容器发送一个令牌：

osStatus osSemaphoreRelease(osSemaphoreId semaphore_id);

信号量的使用Using Semaphores

前面说过信号量包含较多的OS调用，所以它拥有广泛的同步应用，这也就导致了它可能是RTOS里面最难理解的部分。在本节，我们将看看信号量的一些普遍应用，这些应用摘自“信号量小书”（Allen B. Downey著），这本书可以免费下载，链接在本书的最后部分。

发送信号Signaling

两个线程之间的同步是信号量最简单的使用方式：

osSemaphoreId sem1;
osSemaphoreDef(sem1);
void thread1 (void)
{
    sem1 = osSemaphoreCreate(osSemaphore(sem1), 0); 
    while(1)
        { 
            FuncA();
            osSemaphoreRelease(sem1)
        }
}
void thread2 (void)
{
    while(1)
        {
            osSemaphoreWait(sem1,osWaitForever)
            FuncB();
        }
}

复用Multiplex

复用是用来限制访问临界代码区的线程个数，举个例子，对于存储空间的访问仅仅可能只支持几个受限的调用。

osSemaphoreId multiplex;
osSemaphoreDef(multiplex);
void thread1 (void)
{
    multiplex =osSemaphoreCreate(osSemaphore(multiplex), FIVE_TOKENS); 
    while(1) { 
        osSemaphoreWait(multiplex,osWaitForever)
        ProcessBuffer(); 
        osSemaphoreRelease(multiplex); 
    }
}

 

在这个例子中，我们给复用信号量初始化了5个令牌，当一个线程要调用ProcessBuffer()函数时，就必须首先获取信号量令牌，一旦此函数结束，令牌必须归还给信号量。如果超过5个线程试图调用ProcessBuffer()函数，第六个线程就必须等待其中一个线程完成ProcessBuffer()函数，并归还令牌。就这样，复用信号量确保了最多只能有5个线程可以“同时”调用ProcessBuffer()函数。

 

交汇Rendezvous

一种更常规的信号量通信形式叫做交汇，交汇确保两个线程同时到达某个确定的执行点，除非两个线程都到达这个交汇点，否则它们都不会继续运行。

osSemaphore arrived1, arrived2;
osSemaphoreDef(arrived1);
osSemaphoreDef(arrived2);

void thread1(void){
    Arrived1 = osSemphoreCreate(osSemphore(arrived1),ZERO_TOKENS);
    Arrived2 = osSemphoreCreate(osSemphore(arrived2),ZERO_TOKENS);
    while(1){
        FuncA1();
        osSemphoreRelease(Arrived1);
        osSemphoreWait(Arrived2, osWaitForever);
        FuncA2();
    }
}

void thread2(void){
    while(1){
        FuncB1();
        os_sem_send(Arrived2);
        os_sem_wait(Arrived, osWaitForever);
        FuncB2();
    }
}

上面的例子中，两个信号量会确保两个线程发生交汇，然后各自执行FuncA2()和FuncB2()。