韦东山freeRTOS系列教程之【第六章】信号量(semaphore)
文章目录
- 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
本教程连载中,篇章会比较多,为方便同学们阅读,点击这里可以查看文章的 目录列表,目录列表页面地址:https://blog.csdn.net/thisway_diy/article/details/121399484
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:
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