韦东山freeRTOS系列教程之【第六章】信号量(semaphore)

目录

• 系列教程总目录
• 概述
• 6.1 信号量的特性
  • 6.1.1 信号量的常规操作
  • 6.1.2 信号量跟队列的对比
  • 6.1.3 两种信号量的对比
• 6.2 信号量函数
  • 6.2.1 创建
  • 6.2.2 删除
  • 6.2.3 give/take
• 6.3 示例12: 使用二进制信号量来同步
• 6.4 示例13: 防止数据丢失
• 6.5 示例14: 使用计数型信号量

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系列教程总目录

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概述

前面介绍的队列(queue)可以用于传输数据：在任务之间、任务和中断之间。

有时候我们只需要传递状态，并不需要传递具体的信息，比如：

• 我的事做完了，通知一下你
• 卖包子了、卖包子了，做好了1个包子！做好了2个包子！做好了3个包子！
• 这个停车位我占了，你们只能等着

在这种情况下我们可以使用信号量(semaphore)，它更节省内存。

本章涉及如下内容：

• 怎么创建、删除信号量
• 怎么发送、获得信号量
• 什么是计数型信号量？什么是二进制信号量？

6.1 信号量的特性

6.1.1 信号量的常规操作

信号量这个名字很恰当：

• 信号：起通知作用
• 量：还可以用来表示资源的数量
  • 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)
• 支持的动作："give"给出资源，计数值加1；"take"获得资源，计数值减1

计数型信号量的典型场景是：

• 计数：事件产生时"give"信号量，让计数值加1；处理事件时要先"take"信号量，就是获得信号量，让计数值减1。
• 资源管理：要想访问资源需要先"take"信号量，让计数值减1；用完资源后"give"信号量，让计数值加1。

信号量的"give"、"take"双方并不需要相同，可以用于生产者-消费者场合：

• 生产者为任务A、B，消费者为任务C、D
• 一开始信号量的计数值为0，如果任务C、D想获得信号量，会有两种结果：
  • 阻塞：买不到东西咱就等等吧，可以定个闹钟(超时时间)
  • 即刻返回失败：不等
• 任务A、B可以生产资源，就是让信号量的计数值增加1，并且把等待这个资源的顾客唤醒
• 唤醒谁？谁优先级高就唤醒谁，如果大家优先级一样就唤醒等待时间最长的人

二进制信号量跟计数型的唯一差别，就是计数值的最大值被限定为1。

6.1.2 信号量跟队列的对比

差异列表如下：

队列	信号量
可以容纳多个数据， 创建队列时有2部分内存: 队列结构体、存储数据的空间	只有计数值，无法容纳其他数据。 创建信号量时，只需要分配信号量结构体
生产者：没有空间存入数据时可以阻塞	生产者：用于不阻塞，计数值已经达到最大时返回失败
消费者：没有数据时可以阻塞	消费者：没有资源时可以阻塞

6.1.3 两种信号量的对比

信号量的计数值都有限制：限定了最大值。如果最大值被限定为1，那么它就是二进制信号量；如果最大值不是1，它就是计数型信号量。

差别列表如下：

二进制信号量	技术型信号量
被创建时初始值为0	被创建时初始值可以设定
其他操作是一样的	其他操作是一样的

6.2 信号量函数

使用信号量时，先创建、然后去添加资源、获得资源。使用句柄来表示一个信号量。

6.2.1 创建

使用信号量之前，要先创建，得到一个句柄；使用信号量时，要使用句柄来表明使用哪个信号量。

对于二进制信号量、计数型信号量，它们的创建函数不一样：

	二进制信号量	计数型信号量
动态创建	xSemaphoreCreateBinary 计数值初始值为0	xSemaphoreCreateCounting
	vSemaphoreCreateBinary(过时了) 计数值初始值为1
静态创建	xSemaphoreCreateBinaryStatic	xSemaphoreCreateCountingStatic

创建二进制信号量的函数原型如下：

/* 创建一个二进制信号量，返回它的句柄。
 * 此函数内部会分配信号量结构体 
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void );

/* 创建一个二进制信号量，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
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );

创建计数型信号量的函数原型如下：

/* 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 );

6.2.2 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：

/*
 * xSemaphore: 信号量句柄，你要删除哪个信号量
 */
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

6.2.3 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
give	xSemaphoreGive	xSemaphoreGiveFromISR
take	xSemaphoreTake	xSemaphoreTakeFromISR

xSemaphoreGive的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

xSemaphoreGive函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，释放哪个信号量
返回值	pdTRUE表示成功, 如果二进制信号量的计数值已经是1，再次调用此函数则返回失败； 如果计数型信号量的计数值已经是最大值，再次调用此函数则返回失败

pxHigherPriorityTaskWoken的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(
                        SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                        BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                    );

xSemaphoreGiveFromISR函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，释放哪个信号量
pxHigherPriorityTaskWoken	如果释放信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态， 则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
返回值	pdTRUE表示成功, 如果二进制信号量的计数值已经是1，再次调用此函数则返回失败； 如果计数型信号量的计数值已经是最大值，再次调用此函数则返回失败

xSemaphoreTake的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTake(
                   SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                   TickType_t xTicksToWait
               );

xSemaphoreTake函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，获取哪个信号量
xTicksToWait	如果无法马上获得信号量，阻塞一会： 0：不阻塞，马上返回 portMAX_DELAY: 一直阻塞直到成功 其他值: 阻塞的Tick个数，可以使用pdMS_TO_TICKS()来指定阻塞时间为若干ms
返回值	pdTRUE表示成功

xSemaphoreTakeFromISR的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(
                        SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                        BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                    );

xSemaphoreTakeFromISR函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，获取哪个信号量
pxHigherPriorityTaskWoken	如果获取信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态， 则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
返回值	pdTRUE表示成功

6.3 示例12: 使用二进制信号量来同步

本节代码为： FreeRTOS_12_semaphore_binary 。

main函数中创建了一个二进制信号量，然后创建2个任务：一个用于释放信号量，另一个用于获取信号量，代码如下：

/* 二进制信号量句柄 */
SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;

int main( void )
{
	prvSetupHardware();
	
    /* 创建二进制信号量 */
    xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary( );

	if( xBinarySemaphore != NULL )
	{
		/* 创建1个任务用于释放信号量
		 * 优先级为2
		 */
		xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL );

		/* 创建1个任务用于获取信号量
		 * 优先级为1
		 */
		xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, NULL );

		/* 启动调度器 */
		vTaskStartScheduler();
	}
	else
	{
		/* 无法创建二进制信号量 */
	}

	/* 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;
}

发送任务、接收任务的代码和执行流程如下：

• A：发送任务优先级高，先执行。连续3次释放二进制信号量，只有第1次成功
• B：发送任务进入阻塞态
• C：接收任务得以执行，得到信号量，打印OK；再次去获得信号量时，进入阻塞状态
• 在发送任务的vTaskDelay退出之前，运行的是空闲任务：现在发送任务、接收任务都阻塞了
• D：发送任务再次运行，连续3次释放二进制信号量，只有第1次成功
• E：发送任务进入阻塞态
• F：接收任务被唤醒，得到信号量，打印OK；再次去获得信号量时，进入阻塞状态

运行结果如下图所示，即使发送任务连续释放多个信号量，也只能成功1次。释放、获得信号量是一一对应的。

6.4 示例13: 防止数据丢失

本节代码为： FreeRTOS_13_semaphore_circle_buffer 。

在示例12中，发送任务发出3次"提醒"，但是接收任务只接收到1次"提醒"，其中2次"提醒"丢失了。

这种情况很常见，比如每接收到一个串口字符，串口中断程序就给任务发一次"提醒"，假设收到多个字符、发出了多次"提醒"。当任务来处理时，它只能得到1次"提醒"。

你需要使用其他方法来防止数据丢失，比如：

• 在串口中断中，把数据放入缓冲区

• 在任务中，一次性把缓冲区中的数据都读出

• 简单地说，就是：你提醒了我多次，我太忙只响应你一次，但是我一次性拿走所有数据

main函数中创建了一个二进制信号量，然后创建2个任务：一个用于释放信号量，另一个用于获取信号量，代码如下：

/* 二进制信号量句柄 */
SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;

int main( void )
{
	prvSetupHardware();
	
    /* 创建二进制信号量 */
    xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary( );

	if( xBinarySemaphore != NULL )
	{
		/* 创建1个任务用于释放信号量
		 * 优先级为2
		 */
		xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL );

		/* 创建1个任务用于获取信号量
		 * 优先级为1
		 */
		xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, NULL );

		/* 启动调度器 */
		vTaskStartScheduler();
	}
	else
	{
		/* 无法创建二进制信号量 */
	}

	/* 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;
}

发送任务、接收任务的代码和执行流程如下：

• A：发送任务优先级高，先执行。连续写入3个数据、释放3个信号量：只有1个信号量起作用
• B：发送任务进入阻塞态
• C：接收任务得以执行，得到信号量
• D：接收任务一次性把所有数据取出
• E：接收任务再次尝试获取信号量，进入阻塞状态
• 在发送任务的vTaskDelay退出之前，运行的是空闲任务：现在发送任务、接收任务都阻塞了
• F：发送任务再次运行，连续写入3个数据、释放3个信号量：只有1个信号量起作用
• G：发送任务进入阻塞态
• H：接收任务被唤醒，得到信号量，一次性把所有数据取出

程序运行结果如下，数据未丢失：

6.5 示例14: 使用计数型信号量

本节代码为： FreeRTOS_14_semaphore_counting 。

使用计数型信号量时，可以多次释放信号量；当信号量的技术值达到最大时，再次释放信号量就会出错。

如果信号量计数值为n，就可以连续n次获取信号量，第(n+1)次获取信号量就会阻塞或失败。

main函数中创建了一个计数型信号量，最大计数值为3，初始值计数值为0；然后创建2个任务：一个用于释放信号量，另一个用于获取信号量，代码如下：

/* 计数型信号量句柄 */
SemaphoreHandle_t xCountingSemaphore;

int main( void )
{
	prvSetupHardware();
	
    /* 创建计数型信号量 */
    xCountingSemaphore = xSemaphoreCreateCounting(3, 0);

	if( xCountingSemaphore != NULL )
	{
		/* 创建1个任务用于释放信号量
		 * 优先级为2
		 */
		xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL );

		/* 创建1个任务用于获取信号量
		 * 优先级为1
		 */
		xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, NULL );

		/* 启动调度器 */
		vTaskStartScheduler();
	}
	else
	{
		/* 无法创建信号量 */
	}

	/* 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;
}

发送任务、接收任务的代码和执行流程如下：

• A：发送任务优先级高，先执行。连续释放4个信号量：只有前面3次成功，第4次失败
• B：发送任务进入阻塞态
• CDE：接收任务得以执行，得到3个信号量
• F：接收任务试图获得第4个信号量时进入阻塞状态
• 在发送任务的vTaskDelay退出之前，运行的是空闲任务：现在发送任务、接收任务都阻塞了
• G：发送任务再次运行，连续释放4个信号量：只有前面3次成功，第4次失败
• H：发送任务进入阻塞态
• IJK：接收任务得以执行，得到3个信号量
• L：接收任务再次获取信号量时进入阻塞状态

运行结果如下图所示：