韋東山freeRTOS系列教程之【第六章】訊號量(semaphore)
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概述
前面介紹的佇列(queue)可以用於傳輸資料：在任務之間、任務和中斷之間。
有時候我們只需要傳遞狀態，並不需要傳遞具體的資訊，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！
- 這個停車位我佔了，你們只能等著
在這種情況下我們可以使用訊號量(semaphore)，它更節省記憶體。
本章涉及如下內容：
- 怎麼建立、刪除訊號量
- 怎麼傳送、獲得訊號量
- 什麼是計數型訊號量？什麼是二進位制訊號量？
6.1 訊號量的特性
6.1.1 訊號量的常規操作
訊號量這個名字很恰當：
- 訊號：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"計數型訊號量"(Counting Semaphores)
- 當"量"只有0、1兩個取值時，它就是"二進位制訊號量"(Binary Semaphores)
- 支援的動作："give"給出資源，計數值加1；"take"獲得資源，計數值減1
計數型訊號量的典型場景是：
- 計數：事件產生時"give"訊號量，讓計數值加1；處理事件時要先"take"訊號量，就是獲得訊號量，讓計數值減1。
- 資源管理：要想訪問資源需要先"take"訊號量，讓計數值減1；用完資源後"give"訊號量，讓計數值加1。
訊號量的"give"、"take"雙方並不需要相同，可以用於生產者-消費者場合：
- 生產者為任務A、B，消費者為任務C、D
- 一開始訊號量的計數值為0，如果任務C、D想獲得訊號量，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，就是讓訊號量的計數值增加1，並且把等待這個資源的顧客喚醒
- 喚醒誰？誰優先順序高就喚醒誰，如果大家優先順序一樣就喚醒等待時間最長的人
二進位制訊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 訊號量跟佇列的對比
差異列表如下：
| 佇列 | 訊號量 |
|---|---|
| 可以容納多個數據， 建立佇列時有2部分記憶體: 佇列結構體、儲存資料的空間 |
只有計數值，無法容納其他資料。 建立訊號量時，只需要分配訊號量結構體 |
| 生產者：沒有空間存入資料時可以阻塞 | 生產者：用於不阻塞，計數值已經達到最大時返回失敗 |
| 消費者：沒有資料時可以阻塞 | 消費者：沒有資源時可以阻塞 |
6.1.3 兩種訊號量的對比
訊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，那麼它就是二進位制訊號量；如果最大值不是1，它就是計數型訊號量。
差別列表如下：
| 二進位制訊號量 | 技術型訊號量 |
|---|---|
| 被建立時初始值為0 | 被建立時初始值可以設定 |
| 其他操作是一樣的 | 其他操作是一樣的 |
6.2 訊號量函式
使用訊號量時，先建立、然後去新增資源、獲得資源。使用控制代碼來表示一個訊號量。
6.2.1 建立
使用訊號量之前，要先建立，得到一個控制代碼；使用訊號量時，要使用控制代碼來表明使用哪個訊號量。
對於二進位制訊號量、計數型訊號量，它們的建立函式不一樣：
| 二進位制訊號量 | 計數型訊號量 | |
|---|---|---|
| 動態建立 | xSemaphoreCreateBinary 計數值初始值為0 |
xSemaphoreCreateCounting |
| vSemaphoreCreateBinary(過時了) 計數值初始值為1 |
||
| 靜態建立 | xSemaphoreCreateBinaryStatic | xSemaphoreCreateCountingStatic |
建立二進位制訊號量的函式原型如下：
/* 建立一個二進位制訊號量，返回它的控制代碼。
* 此函式內部會分配訊號量結構體
* 返回值: 返回控制代碼，非NULL表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void );
/* 建立一個二進位制訊號量，返回它的控制代碼。
* 此函式無需動態分配記憶體，所以需要先有一個StaticSemaphore_t結構體，並傳入它的指標
* 返回值: 返回控制代碼，非NULL表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );
建立計數型訊號量的函式原型如下：
/* 建立一個計數型訊號量，返回它的控制代碼。
* 此函式內部會分配訊號量結構體
* uxMaxCount: 最大計數值
* uxInitialCount: 初始計數值
* 返回值: 返回控制代碼，非NULL表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount);
/* 建立一個計數型訊號量，返回它的控制代碼。
* 此函式無需動態分配記憶體，所以需要先有一個StaticSemaphore_t結構體，並傳入它的指標
* uxMaxCount: 最大計數值
* uxInitialCount: 初始計數值
* pxSemaphoreBuffer: StaticSemaphore_t結構體指標
* 返回值: 返回控制代碼，非NULL表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic( UBaseType_t uxMaxCount,
UBaseType_t uxInitialCount,
StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );
6.2.2 刪除
對於動態建立的訊號量，不再需要它們時，可以刪除它們以回收記憶體。
vSemaphoreDelete可以用來刪除二進位制訊號量、計數型訊號量，函式原型如下：
/*
* xSemaphore: 訊號量控制代碼，你要刪除哪個訊號量
*/
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );
6.2.3 give/take
二進位制訊號量、計數型訊號量的give、take操作函式是一樣的。這些函式也分為2個版本：給任務使用，給ISR使用。列表如下：
| 在任務中使用 | 在ISR中使用 | |
|---|---|---|
| give | xSemaphoreGive | xSemaphoreGiveFromISR |
| take | xSemaphoreTake | xSemaphoreTakeFromISR |
xSemaphoreGive的函式原型如下：
BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );
xSemaphoreGive函式的引數與返回值列表如下：
| 引數 | 說明 |
|---|---|
| xSemaphore | 訊號量控制代碼，釋放哪個訊號量 |
| 返回值 | pdTRUE表示成功, 如果二進位制訊號量的計數值已經是1，再次呼叫此函式則返回失敗； 如果計數型訊號量的計數值已經是最大值，再次呼叫此函式則返回失敗 |
pxHigherPriorityTaskWoken的函式原型如下：
BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(
SemaphoreHandle_t xSemaphore,
BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);
xSemaphoreGiveFromISR函式的引數與返回值列表如下：
| 引數 | 說明 |
|---|---|
| xSemaphore | 訊號量控制代碼，釋放哪個訊號量 |
| pxHigherPriorityTaskWoken | 如果釋放訊號量導致更高優先順序的任務變為了就緒態， 則*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE |
| 返回值 | pdTRUE表示成功, 如果二進位制訊號量的計數值已經是1，再次呼叫此函式則返回失敗； 如果計數型訊號量的計數值已經是最大值，再次呼叫此函式則返回失敗 |
xSemaphoreTake的函式原型如下：
BaseType_t xSemaphoreTake(
SemaphoreHandle_t xSemaphore,
TickType_t xTicksToWait
);
xSemaphoreTake函式的引數與返回值列表如下：
| 引數 | 說明 |
|---|---|
| xSemaphore | 訊號量控制代碼，獲取哪個訊號量 |
| xTicksToWait | 如果無法馬上獲得訊號量，阻塞一會： 0：不阻塞，馬上返回 portMAX_DELAY: 一直阻塞直到成功 其他值: 阻塞的Tick個數，可以使用 pdMS_TO_TICKS()來指定阻塞時間為若干ms |
| 返回值 | pdTRUE表示成功 |
xSemaphoreTakeFromISR的函式原型如下：
BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(
SemaphoreHandle_t xSemaphore,
BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);
xSemaphoreTakeFromISR函式的引數與返回值列表如下：
| 引數 | 說明 |
|---|---|
| xSemaphore | 訊號量控制代碼，獲取哪個訊號量 |
| pxHigherPriorityTaskWoken | 如果獲取訊號量導致更高優先順序的任務變為了就緒態， 則*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE |
| 返回值 | pdTRUE表示成功 |
6.3 示例12: 使用二進位制訊號量來同步
本節程式碼為： FreeRTOS_12_semaphore_binary 。
main函式中建立了一個二進位制訊號量，然後建立2個任務：一個用於釋放訊號量，另一個用於獲取訊號量，程式碼如下：
/* 二進位制訊號量控制代碼 */
SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;
int main( void )
{
prvSetupHardware();
/* 建立二進位制訊號量 */
xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary( );
if( xBinarySemaphore != NULL )
{
/* 建立1個任務用於釋放訊號量
* 優先順序為2
*/
xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL );
/* 建立1個任務用於獲取訊號量
* 優先順序為1
*/
xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, NULL );
/* 啟動排程器 */
vTaskStartScheduler();
}
else
{
/* 無法建立二進位制訊號量 */
}
/* 如果程式執行到了這裡就表示出錯了, 一般是記憶體不足 */
return 0;
}
傳送任務、接收任務的程式碼和執行流程如下：
- A：傳送任務優先順序高，先執行。連續3次釋放二進位制訊號量，只有第1次成功
- B：傳送任務進入阻塞態
- C：接收任務得以執行，得到訊號量，列印OK；再次去獲得訊號量時，進入阻塞狀態
- 在傳送任務的vTaskDelay退出之前，執行的是空閒任務：現在傳送任務、接收任務都阻塞了
- D：傳送任務再次執行，連續3次釋放二進位制訊號量，只有第1次成功
- E：傳送任務進入阻塞態
- F：接收任務被喚醒，得到訊號量，列印OK；再次去獲得訊號量時，進入阻塞狀態
執行結果如下圖所示，即使傳送任務連續釋放多個訊號量，也只能成功1次。釋放、獲得訊號量是一一對應的。
6.4 示例13: 防止資料丟失
本節程式碼為： FreeRTOS_13_semaphore_circle_buffer 。
在示例12中，傳送任務發出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列埠字元，串列埠中斷程式就給任務發一次"提醒"，假設收到多個字元、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資料丟失，比如：
-
在串列埠中斷中，把資料放入緩衝區
-
在任務中，一次性把緩衝區中的資料都讀出
-
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資料
main函式中建立了一個二進位制訊號量，然後建立2個任務：一個用於釋放訊號量，另一個用於獲取訊號量，程式碼如下：
/* 二進位制訊號量控制代碼 */
SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;
int main( void )
{
prvSetupHardware();
/* 建立二進位制訊號量 */
xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary( );
if( xBinarySemaphore != NULL )
{
/* 建立1個任務用於釋放訊號量
* 優先順序為2
*/
xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL );
/* 建立1個任務用於獲取訊號量
* 優先順序為1
*/
xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, NULL );
/* 啟動排程器 */
vTaskStartScheduler();
}
else
{
/* 無法建立二進位制訊號量 */
}
/* 如果程式執行到了這裡就表示出錯了, 一般是記憶體不足 */
return 0;
}
傳送任務、接收任務的程式碼和執行流程如下：
- A：傳送任務優先順序高，先執行。連續寫入3個數據、釋放3個訊號量：只有1個訊號量起作用
- B：傳送任務進入阻塞態
- C：接收任務得以執行，得到訊號量
- D：接收任務一次性把所有資料取出
- E：接收任務再次嘗試獲取訊號量，進入阻塞狀態
- 在傳送任務的vTaskDelay退出之前，執行的是空閒任務：現在傳送任務、接收任務都阻塞了
- F：傳送任務再次執行，連續寫入3個數據、釋放3個訊號量：只有1個訊號量起作用
- G：傳送任務進入阻塞態
- H：接收任務被喚醒，得到訊號量，一次性把所有資料取出
程式執行結果如下，資料未丟失：
6.5 示例14: 使用計數型訊號量
本節程式碼為： FreeRTOS_14_semaphore_counting 。
使用計數型訊號量時，可以多次釋放訊號量；當訊號量的技術值達到最大時，再次釋放訊號量就會出錯。
如果訊號量計數值為n，就可以連續n次獲取訊號量，第(n+1)次獲取訊號量就會阻塞或失敗。
main函式中建立了一個計數型訊號量，最大計數值為3，初始值計數值為0；然後建立2個任務：一個用於釋放訊號量，另一個用於獲取訊號量，程式碼如下：
/* 計數型訊號量控制代碼 */
SemaphoreHandle_t xCountingSemaphore;
int main( void )
{
prvSetupHardware();
/* 建立計數型訊號量 */
xCountingSemaphore = xSemaphoreCreateCounting(3, 0);
if( xCountingSemaphore != NULL )
{
/* 建立1個任務用於釋放訊號量
* 優先順序為2
*/
xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL );
/* 建立1個任務用於獲取訊號量
* 優先順序為1
*/
xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, NULL );
/* 啟動排程器 */
vTaskStartScheduler();
}
else
{
/* 無法建立訊號量 */
}
/* 如果程式執行到了這裡就表示出錯了, 一般是記憶體不足 */
return 0;
}
傳送任務、接收任務的程式碼和執行流程如下：
- A：傳送任務優先順序高，先執行。連續釋放4個訊號量：只有前面3次成功，第4次失敗
- B：傳送任務進入阻塞態
- CDE：接收任務得以執行，得到3個訊號量
- F：接收任務試圖獲得第4個訊號量時進入阻塞狀態
- 在傳送任務的vTaskDelay退出之前，執行的是空閒任務：現在傳送任務、接收任務都阻塞了
- G：傳送任務再次執行，連續釋放4個訊號量：只有前面3次成功，第4次失敗
- H：傳送任務進入阻塞態
- IJK：接收任務得以執行，得到3個訊號量
- L：接收任務再次獲取訊號量時進入阻塞狀態
執行結果如下圖所示：