CMSIS-RTOS 信号量Semaphores

Posted 2020-10-18 jack_hzm

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);

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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);

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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);

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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);

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练习：信号量的信号传输

在这个练习中，我们将看到如何配置一个信号量，并使用它在两个任务间发送信号。

打开Pack Installer，选择”Ex 9 Semaphore Signaling”,然后复制到你的指定路径。

首先创建一个信号量sem1，然后给它初始化0个令牌：

osSemaphoreId sem1;
osSemaphoreDef(sem1);
int main(void){
    sem1 = osSemaphoreCreate(osSemaphore(sem1), 0);

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第一个线程等待一个令牌被发送到信号量容器：

void led_Thread1(void const *argument){
    for(;;){
        osSemaphoreWait(sem1, osWaitForever);
        LED_On(1);
        osDelay(500);
        LED_Off(1);
    }
}

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与此同时，第二个线程周期性的给信号量发送令牌：

void led_Thread2(void const *argument){
    for(;;){
        LED_On(2);
        osSemaphoreRelease(sem1);
        osDelay(500);
        LED_Off(2);
        osDelay(500);
    }
}

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编译工程并启动仿真环境。

在led_Thread2任务设置断点：

运行代码，运行到断点，观察线程状态：

现在led_thread1被阻塞，等待从信号量获取一个令牌，线程1的优先级比线程2高，所以一旦令牌放入信号量，线程1就会立即进入准备状态，抢占低优先级线程，并随后启动运行。当运行到osSemaphoreWait()调用后，它又再次阻塞。

现在单步运行（F10），观察线程及信号量的行为。