文章目錄

• 系列教程總目錄
• 概述
• 6.1 信號量的特性
  • 6.1.1 信號量的常規操作
  • 6.1.2 信號量跟隊列的對比
  • 6.1.3 兩種信號量的對比
• 6.2 信號量函數
  • 6.2.1 創建
  • 6.2.2 刪除
  • 6.2.3 give/take
• 6.3 示例12: 使用二進制信號量來同步
• 6.4 示例13: 防止數據丟失
• 6.5 示例14: 使用計數型信號量

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系列教程總目錄

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概述

前面介紹的隊列(queue)可以用于傳輸數據：在任務之間、任務和中斷之間。

有時候我們只需要傳遞狀態，并不需要傳遞具體的信息，比如：

• 我的事做完了，通知一下你
• 賣包子了、賣包子了，做好了1個包子！做好了2個包子！做好了3個包子！
• 這個停車位我占了，你們只能等著

在這種情況下我們可以使用信號量(semaphore)，它更節省內存。

本章涉及如下內容：

• 怎么創建、刪除信號量
• 怎么發送、獲得信號量
• 什么是計數型信號量？什么是二進制信號量？

6.1 信號量的特性

6.1.1 信號量的常規操作

信號量這個名字很恰當：

• 信號：起通知作用
• 量：還可以用來表示資源的數量
  • 當"量"沒有限制時，它就是"計數型信號量"(Counting Semaphores)
  • 當"量"只有0、1兩個取值時，它就是"二進制信號量"(Binary Semaphores)
• 支持的動作："give"給出資源，計數值加1；"take"獲得資源，計數值減1

計數型信號量的典型場景是：

• 計數：事件產生時"give"信號量，讓計數值加1；處理事件時要先"take"信號量，就是獲得信號量，讓計數值減1。
• 資源管理：要想訪問資源需要先"take"信號量，讓計數值減1；用完資源后"give"信號量，讓計數值加1。

信號量的"give"、"take"雙方并不需要相同，可以用于生產者-消費者場合：

• 生產者為任務A、B，消費者為任務C、D
• 一開始信號量的計數值為0，如果任務C、D想獲得信號量，會有兩種結果：
  • 阻塞：買不到東西咱就等等吧，可以定個鬧鐘(超時時間)
  • 即刻返回失敗：不等
• 任務A、B可以生產資源，就是讓信號量的計數值增加1，并且把等待這個資源的顧客喚醒
• 喚醒誰？誰優先級高就喚醒誰，如果大家優先級一樣就喚醒等待時間最長的人

二進制信號量跟計數型的唯一差別，就是計數值的最大值被限定為1。

6.1.2 信號量跟隊列的對比

差異列表如下：

6.1.3 兩種信號量的對比

信號量的計數值都有限制：限定了最大值。如果最大值被限定為1，那么它就是二進制信號量；如果最大值不是1，它就是計數型信號量。

差別列表如下：

6.2 信號量函數

使用信號量時，先創建、然后去添加資源、獲得資源。使用句柄來表示一個信號量。

6.2.1 創建

使用信號量之前，要先創建，得到一個句柄；使用信號量時，要使用句柄來表明使用哪個信號量。

對于二進制信號量、計數型信號量，它們的創建函數不一樣：

創建二進制信號量的函數原型如下：

/* 創建一個二進制信號量，返回它的句柄。
 * 此函數內部會分配信號量結構體 
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void );

/* 創建一個二進制信號量，返回它的句柄。
 * 此函數無需動態分配內存，所以需要先有一個StaticSemaphore_t結構體，并傳入它的指針
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );

創建計數型信號量的函數原型如下：

/* 創建一個計數型信號量，返回它的句柄。
 * 此函數內部會分配信號量結構體 
 * uxMaxCount: 最大計數值
 * uxInitialCount: 初始計數值
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount);

/* 創建一個計數型信號量，返回它的句柄。
 * 此函數無需動態分配內存，所以需要先有一個StaticSemaphore_t結構體，并傳入它的指針
 * uxMaxCount: 最大計數值
 * uxInitialCount: 初始計數值
 * pxSemaphoreBuffer: StaticSemaphore_t結構體指針
 * 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 刪除

對于動態創建的信號量，不再需要它們時，可以刪除它們以回收內存。

vSemaphoreDelete可以用來刪除二進制信號量、計數型信號量，函數原型如下：

/*
 * xSemaphore: 信號量句柄，你要刪除哪個信號量
 */
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

6.2.3 give/take

二進制信號量、計數型信號量的give、take操作函數是一樣的。這些函數也分為2個版本：給任務使用，給ISR使用。列表如下：

xSemaphoreGive的函數原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

xSemaphoreGive函數的參數與返回值列表如下：

pxHigherPriorityTaskWoken的函數原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(
                        SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                        BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                    );

xSemaphoreGiveFromISR函數的參數與返回值列表如下：

xSemaphoreTake的函數原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTake(
                   SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                   TickType_t xTicksToWait
               );

xSemaphoreTake函數的參數與返回值列表如下：

xSemaphoreTakeFromISR的函數原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(
                        SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                        BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                    );

xSemaphoreTakeFromISR函數的參數與返回值列表如下：

6.3 示例12: 使用二進制信號量來同步

本節代碼為： FreeRTOS_12_semaphore_binary 。

main函數中創建了一個二進制信號量，然后創建2個任務：一個用于釋放信號量，另一個用于獲取信號量，代碼如下：

/* 二進制信號量句柄 */
SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;

int main( void )
{
	prvSetupHardware();
	
    /* 創建二進制信號量 */
    xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary( );

	if( xBinarySemaphore != NULL )
	{
		/* 創建1個任務用于釋放信號量
		 * 優先級為2
		 */
		xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL );

		/* 創建1個任務用于獲取信號量
		 * 優先級為1
		 */
		xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, NULL );

		/* 啟動調度器 */
		vTaskStartScheduler();
	}
	else
	{
		/* 無法創建二進制信號量 */
	}

	/* 如果程序運行到了這里就表示出錯了, 一般是內存不足 */
	return 0;
}

發送任務、接收任務的代碼和執行流程如下：

• A：發送任務優先級高，先執行。連續3次釋放二進制信號量，只有第1次成功
• B：發送任務進入阻塞態
• C：接收任務得以執行，得到信號量，打印OK；再次去獲得信號量時，進入阻塞狀態
• 在發送任務的vTaskDelay退出之前，運行的是空閑任務：現在發送任務、接收任務都阻塞了
• D：發送任務再次運行，連續3次釋放二進制信號量，只有第1次成功
• E：發送任務進入阻塞態
• F：接收任務被喚醒，得到信號量，打印OK；再次去獲得信號量時，進入阻塞狀態

運行結果如下圖所示，即使發送任務連續釋放多個信號量，也只能成功1次。釋放、獲得信號量是一一對應的。

6.4 示例13: 防止數據丟失

本節代碼為： FreeRTOS_13_semaphore_circle_buffer 。

在示例12中，發送任務發出3次"提醒"，但是接收任務只接收到1次"提醒"，其中2次"提醒"丟失了。

這種情況很常見，比如每接收到一個串口字符，串口中斷程序就給任務發一次"提醒"，假設收到多個字符、發出了多次"提醒"。當任務來處理時，它只能得到1次"提醒"。

你需要使用其他方法來防止數據丟失，比如：

在串口中斷中，把數據放入緩沖區

在任務中，一次性把緩沖區中的數據都讀出

簡單地說，就是：你提醒了我多次，我太忙只響應你一次，但是我一次性拿走所有數據

main函數中創建了一個二進制信號量，然后創建2個任務：一個用于釋放信號量，另一個用于獲取信號量，代碼如下：

/* 二進制信號量句柄 */
SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;

int main( void )
{
	prvSetupHardware();
	
    /* 創建二進制信號量 */
    xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary( );

	if( xBinarySemaphore != NULL )
	{
		/* 創建1個任務用于釋放信號量
		 * 優先級為2
		 */
		xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL );

		/* 創建1個任務用于獲取信號量
		 * 優先級為1
		 */
		xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, NULL );

		/* 啟動調度器 */
		vTaskStartScheduler();
	}
	else
	{
		/* 無法創建二進制信號量 */
	}

	/* 如果程序運行到了這里就表示出錯了, 一般是內存不足 */
	return 0;
}

發送任務、接收任務的代碼和執行流程如下：

• A：發送任務優先級高，先執行。連續寫入3個數據、釋放3個信號量：只有1個信號量起作用
• B：發送任務進入阻塞態
• C：接收任務得以執行，得到信號量
• D：接收任務一次性把所有數據取出
• E：接收任務再次嘗試獲取信號量，進入阻塞狀態
• 在發送任務的vTaskDelay退出之前，運行的是空閑任務：現在發送任務、接收任務都阻塞了
• F：發送任務再次運行，連續寫入3個數據、釋放3個信號量：只有1個信號量起作用
• G：發送任務進入阻塞態
• H：接收任務被喚醒，得到信號量，一次性把所有數據取出

程序運行結果如下，數據未丟失：

6.5 示例14: 使用計數型信號量

本節代碼為： FreeRTOS_14_semaphore_counting 。

使用計數型信號量時，可以多次釋放信號量；當信號量的技術值達到最大時，再次釋放信號量就會出錯。

如果信號量計數值為n，就可以連續n次獲取信號量，第(n+1)次獲取信號量就會阻塞或失敗。

main函數中創建了一個計數型信號量，最大計數值為3，初始值計數值為0；然后創建2個任務：一個用于釋放信號量，另一個用于獲取信號量，代碼如下：

/* 計數型信號量句柄 */
SemaphoreHandle_t xCountingSemaphore;

int main( void )
{
	prvSetupHardware();
	
    /* 創建計數型信號量 */
    xCountingSemaphore = xSemaphoreCreateCounting(3, 0);

	if( xCountingSemaphore != NULL )
	{
		/* 創建1個任務用于釋放信號量
		 * 優先級為2
		 */
		xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL );

		/* 創建1個任務用于獲取信號量
		 * 優先級為1
		 */
		xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, NULL );

		/* 啟動調度器 */
		vTaskStartScheduler();
	}
	else
	{
		/* 無法創建信號量 */
	}

	/* 如果程序運行到了這里就表示出錯了, 一般是內存不足 */
	return 0;
}

發送任務、接收任務的代碼和執行流程如下：

• A：發送任務優先級高，先執行。連續釋放4個信號量：只有前面3次成功，第4次失敗
• B：發送任務進入阻塞態
• CDE：接收任務得以執行，得到3個信號量
• F：接收任務試圖獲得第4個信號量時進入阻塞狀態
• 在發送任務的vTaskDelay退出之前，運行的是空閑任務：現在發送任務、接收任務都阻塞了
• G：發送任務再次運行，連續釋放4個信號量：只有前面3次成功，第4次失敗
• H：發送任務進入阻塞態
• IJK：接收任務得以執行，得到3個信號量
• L：接收任務再次獲取信號量時進入阻塞狀態

運行結果如下圖所示：