FreeRTOS互斥量

news2024/12/26 2:08:21

文章目录

  • 一、互斥量的使用场合
  • 二、互斥量函数
    • 1、创建
    • 2、其他函数
  • 三、示例: 优先级继承
  • 四、递归锁
    • 1、死锁的概念
    • 2、自我死锁
    • 3、函数

怎么独享厕所？自己开门上锁，完事了自己开锁。

你当然可以进去后，让别人帮你把门：但是，命运就掌握在别人手上了。

使用队列、信号量，都可以实现互斥访问，以信号量为例：

  • 信号量初始值为1
  • 任务A想上厕所，"take"信号量成功，它进入厕所
  • 任务B也想上厕所，"take"信号量不成功，等待
  • 任务A用完厕所，"give"信号量；轮到任务B使用

这需要有2个前提：

  • 任务B很老实，不撬门(一开始不"give"信号量)
  • 没有坏人：别的任务不会"give"信号量

可以看到，使用信号量确实也可以实现互斥访问，但是不完美。

使用互斥量可以解决这个问题，互斥量的名字取得很好：

  • 量：值为0、1
  • 互斥：用来实现互斥访问

它的核心在于：谁上锁，就只能由谁开锁。

很奇怪的是，FreeRTOS的互斥锁，并没有在代码上实现这点：

  • 即使任务A获得了互斥锁，任务B竟然也可以释放互斥锁。
  • 谁上锁、谁释放：只是约定。

本章涉及如下内容：

  • 为什么要实现互斥操作
  • 怎么使用互斥量
  • 互斥量导致的优先级反转、优先级继承

一、互斥量的使用场合

在多任务系统中，任务A正在使用某个资源，还没用完的情况下任务B也来使用的话，就可能导致问题。

比如对于串口，任务A正使用它来打印，在打印过程中任务B也来打印，客户看到的结果就是A、B的信息混杂在一起。

这种现象很常见：

  • 访问外设：刚举的串口例子
  • 读、修改、写操作导致的问题

对于同一个变量，比如int a，如果有两个任务同时写它就有可能导致问题。
对于变量的修改，C代码只有一条语句，比如：a=a+8;，它的内部实现分为3步：读出原值、修改、写入。

image

我们想让任务A、B都执行add_a函数，a的最终结果是1+8+8=17。

假设任务A运行完代码①，在执行代码②之前被任务B抢占了：现在任务A的R0等于1。
任务B执行完add_a函数，a等于9。

任务A继续运行，在代码②处R0仍然是被抢占前的数值1，执行完②③的代码，a等于9，这跟预期的17不符合。

  • 对变量的非原子化访问

    修改变量、设置结构体、在16位的机器上写32位的变量，这些操作都是非原子的。也就是它们的操作过程都可能被打断，如果被打断的过程有其他任务来操作这些变量，就可能导致冲突。

  • 函数重入

    “可重入的函数"是指：多个任务同时调用它、任务和中断同时调用它，函数的运行也是安全的。可重入的函数也被称为"线程安全”(thread safe)。

    每个任务都维持自己的栈、自己的CPU寄存器，如果一个函数只使用局部变量，那么它就是线程安全的。

    函数中一旦使用了全局变量、静态变量、其他外设，它就不是"可重入的"，如果该函数正在被调用，就必须阻止其他任务、中断再次调用它。

上述问题的解决方法是：任务A访问这些全局变量、函数代码时，独占它，就是上个锁。这些全局变量、函数代码必须被独占地使用，它们被称为临界资源。

互斥量也被称为互斥锁，使用过程如下：

  • 互斥量初始值为1
  • 任务A想访问临界资源，先获得并占有互斥量，然后开始访问
  • 任务B也想访问临界资源，也要先获得互斥量：被别人占有了，于是阻塞
  • 任务A使用完毕，释放互斥量；任务B被唤醒、得到并占有互斥量，然后开始访问临界资源
  • 任务B使用完毕，释放互斥量

正常来说：在任务A占有互斥量的过程中，任务B、任务C等等，都无法释放互斥量。

但是FreeRTOS未实现这点：任务A占有互斥量的情况下，任务B也可释放互斥量。

二、互斥量函数

1、创建

互斥量是一种特殊的二进制信号量。

使用互斥量时，先创建、然后去获得、释放它。使用句柄来表示一个互斥量。

创建互斥量的函数有2种：动态分配内存，静态分配内存，函数原型如下：

/* 创建一个互斥量，返回它的句柄。
 * 此函数内部会分配互斥量结构体 
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex( void );

/* 创建一个互斥量，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 xSemaphoreCreateMutexStatic( StaticSemaphore_t *pxMutexBuffer );

要想使用互斥量，需要在配置文件FreeRTOSConfig.h中定义：

#define configUSE_MUTEXES 1

2、其他函数

要注意的是，互斥量不能在ISR中使用。

各类操作函数，比如删除、give/take，跟一般是信号量是一样的。

/*
 * xSemaphore: 信号量句柄，你要删除哪个信号量, 互斥量也是一种信号量
  */
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

/* 释放 */
BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

/* 释放(ISR版本) */
BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(
                       SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                       BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                   );

/* 获得 */
BaseType_t xSemaphoreTake(
                   SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                   TickType_t xTicksToWait
               );
/* 获得(ISR版本) */
xSemaphoreGiveFromISR(
                       SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                       BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                   );

三、示例: 优先级继承

本节代码为：22_mutex_priority_inversion，主要看nwatch\game2.c。

12章12.5示例的问题在于，car1低优先级任务获得了锁，但是它优先级太低而无法运行。

如果能提升car1任务的优先级，让它能尽快运行、释放锁，"优先级反转"的问题不就解决了吗？

把car1任务的优先级提升到什么水平？car3也想获得同一个互斥锁，不成功而阻塞时，它会把car1的优先级提升得跟car3一样。

这就是优先级继承：

  • 假设持有互斥锁的是任务A，如果更高优先级的任务B也尝试获得这个锁
  • 任务B说：你既然持有宝剑，又不给我，那就继承我的愿望吧
  • 于是任务A就继承了任务B的优先级
  • 这就叫：优先级继承
  • 等任务A释放互斥锁时，它就恢复为原来的优先级
  • 互斥锁内部就实现了优先级的提升、恢复

在22_mutex_priority_inversion里，创建的是互斥量，代码如下：

static void car1_task(void *params)
{
	struct car *car = params;
	struct ir_Data idata;
	
	/* 创建自己的队列 */
	QueueHandle_t xQueueIR = xQueueCreate(10,sizeof(struct ir_Data));
	
	/* 注册队列 */
	RegisterQueueHandle(xQueueIR);
	
	/* 初始化小车 */
	ShowCar(car);
	
	/* 获得信号量 */
	xSemaphoreTake(xSemTicks,portMAX_DELAY);//car1获得信号量开始运行
	
	while(1)
	{
//		/* 读取按键值  */
//		xQueueReceive(xQueueIR,&idata,portMAX_DELAY);
		
//		/* 控制汽车往右移动 */
//		if(idata.data == car->control_key)
//		{
				if(car->x < g_xres - CAR_LENGTH)
				{
					/* 隐藏汽车 */
					HideCar(car);
					
					/* 调整位置 */
					car->x += 1	;//每次按下右移5个单位
					if(car->x > g_xres - CAR_LENGTH)//超过屏幕分辨率（128）
						car->x = g_xres - CAR_LENGTH;//到达最大位置处
					
					/* 重新显示汽车 */
					ShowCar(car);
					
					vTaskDelay(50);
					
					if(car->x == g_xres - CAR_LENGTH)
					{
						/* 汽车到达最右边 释放信号量 */
						xSemaphoreGive(xSemTicks);
						vTaskDelete(NULL);
					}
				}
//		}
	}
}

static void car2_task(void *params)
{
	struct car *car = params;
	struct ir_Data idata;
	
	vTaskDelay(1000);//car2等待1s后开始运行 不用等待car1释放信号量
	
	/* 创建自己的队列 */
	QueueHandle_t xQueueIR = xQueueCreate(10,sizeof(struct ir_Data));
	
	/* 注册队列 */
	RegisterQueueHandle(xQueueIR);
	
	/* 初始化小车 */
	ShowCar(car);
	
	/* 获得信号量 */
	//xSemaphoreTake(xSemTicks,portMAX_DELAY);
	
	while(1)
	{
//		/* 读取按键值  */
//		xQueueReceive(xQueueIR,&idata,portMAX_DELAY);
		
//		/* 控制汽车往右移动 */
//		if(idata.data == car->control_key)
//		{
				if(car->x < g_xres - CAR_LENGTH)
				{
					/* 隐藏汽车 */
					HideCar(car);
					
					/* 调整位置 */
					car->x += 1	;//每次按下右移5个单位
					if(car->x > g_xres - CAR_LENGTH)//超过屏幕分辨率（128）
						car->x = g_xres - CAR_LENGTH;//到达最大位置处
					
					/* 重新显示汽车 */
					ShowCar(car);
					
					//vTaskDelay(50);
					mdelay(50 );
					
					if(car->x == g_xres - CAR_LENGTH)
					{
						/* 汽车到达最右边 释放信号量 */
						//xSemaphoreGive(xSemTicks);//car2没有获取信号量 所以当其运行完毕自杀后car1继续运行
						vTaskDelete(NULL);
					}
				}
//		}
	}
}

static void car3_task(void *params)
{
	struct car *car = params;
	struct ir_Data idata;
	
	/* 创建自己的队列 */
	QueueHandle_t xQueueIR = xQueueCreate(10,sizeof(struct ir_Data));
	
	/* 注册队列 */
	RegisterQueueHandle(xQueueIR);
	
	/* 初始化小车 */
	ShowCar(car);
	
	vTaskDelay(2000);//car3延时2s后等待获得信号量开始运行
	
	/* 获得信号量 */
	xSemaphoreTake(xSemTicks,portMAX_DELAY);
	
	while(1)
	{
//		/* 读取按键值  */
//		xQueueReceive(xQueueIR,&idata,portMAX_DELAY);
		
//		/* 控制汽车往右移动 */
//		if(idata.data == car->control_key)
//		{
				if(car->x < g_xres - CAR_LENGTH)
				{
					/* 隐藏汽车 */
					HideCar(car);
					
					/* 调整位置 */
					car->x += 1	;//每次按下右移5个单位
					if(car->x > g_xres - CAR_LENGTH)//超过屏幕分辨率（128）
						car->x = g_xres - CAR_LENGTH;//到达最大位置处
					
					/* 重新显示汽车 */
					ShowCar(car);
					
					//vTaskDelay(50);
					mdelay(50 );
					
					if(car->x == g_xres - CAR_LENGTH)
					{
						/* 汽车到达最右边 释放信号量 */
						xSemaphoreGive(xSemTicks);
						vTaskDelete(NULL);
					}
				}
//		}
	}
}

void car_game(void)
{
	int i,j;
	int x;
	
	g_framebuffer = LCD_GetFrameBuffer(&g_xres, &g_yres, &g_bpp);
	draw_init();
	draw_end();
	
	//xSemTicks = xSemaphoreCreateBinary();//创建一个二值信号量（这里有个现象：由于二值信号量的初始值为0 所以下面三个任务无法获得信号量 都将原地不动 解决方法：释放信号量）

	xSemTicks = xSemaphoreCreateMutex();//创建互斥量
	
	/* 绘制路标	*/
	for(i=0;i<3;i++)
	{
		for(j=0;j<8;j++)
		{
			draw_bitmap(16*j, 16+17*i, roadMarking, 8, 1, NOINVERT, 0);
			draw_flushArea(16*j, 16+17*i, 8, 1);		
		}
	}

#if 0
	/* 显示三辆小车 */
	for(i=0;i<3;i++)
	{
		draw_bitmap(cars[i].x, cars[i].y, carImg, 15, 16, NOINVERT, 0);
		draw_flushArea(cars[i].x, cars[i].y, 15, 16);	
	}
#endif

	xTaskCreate(car1_task, "car1task", 128, &cars[0], osPriorityNormal, NULL);	
	xTaskCreate(car2_task, "car2task", 128, &cars[1], osPriorityNormal+2, NULL);	
	xTaskCreate(car3_task, "car3task", 128, &cars[2], osPriorityNormal+3, NULL);	
}

把二值信号量创建打开，互斥量创建注释掉就会有优先级反转的问题。

把二值信号量创建注销掉，互斥量创建打开，就解决了优先级反转的问题。

22_mutex_priority_inversion的实验现象为：car1先运行一会；然后car2运行一会；接着car3任务启动，但是它无法获得互斥量而阻塞，并且提升了car1的优先级；于是：car1、car2交替运行（虽然car2的优先级高于car1，但是car2会使用vTaskDelay阻塞，car1就有机会运行了）；当car1运行到终点，释放了互斥量，car3就可以运行了。

四、递归锁

1、死锁的概念

日常生活的死锁：我们只招有工作经验的人！我没有工作经验怎么办？那你就去找工作啊！

假设有2个互斥量M1、M2，2个任务A、B：

  • A获得了互斥量M1
  • B获得了互斥量M2
  • A还要获得互斥量M2才能运行，结果A阻塞
  • B还要获得互斥量M1才能运行，结果B阻塞
  • A、B都阻塞，再无法释放它们持有的互斥量
  • 死锁发生！

2、自我死锁

假设这样的场景：

  • 任务A获得了互斥锁M
  • 它调用一个库函数
  • 库函数要去获取同一个互斥锁M，于是它阻塞：任务A休眠，等待任务A来释放互斥锁！
  • 死锁发生！

3、函数

怎么解决这类问题？可以使用递归锁(Recursive Mutexes)，它的特性如下：

  • 任务A获得递归锁M后，它还可以多次去获得这个锁
  • "take"了N次，要"give"N次，这个锁才会被释放

递归锁的函数根一般互斥量的函数名不一样，参数类型一样，列表如下：

递归锁一般互斥量
创建xSemaphoreCreateRecursiveMutexxSemaphoreCreateMutex
获得xSemaphoreTakeRecursivexSemaphoreTake
释放xSemaphoreGiveRecursivexSemaphoreGive

函数原型如下：

/* 创建一个递归锁，返回它的句柄。
 * 此函数内部会分配互斥量结构体 
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateRecursiveMutex( void );


/* 释放 */
BaseType_t xSemaphoreGiveRecursive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

/* 获得 */
BaseType_t xSemaphoreTakeRecursive(
                   SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                   TickType_t xTicksToWait
               );

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