信号量

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2023-12-01

概述

对于多任务，甚至多核的操作系统，需要访问共同的系统资源。共享资源包括软件资源和硬件资源，软件共享资源主要在于共享内存，包括共享变量、共享队列等等，硬件共享资源包括一些硬件设备的访问，例如：输入\输出设备，打印机等。为了避免软件访问共享资源的读写发生的相互影响甚至冲突，一般在保护共享资源时，有下列几种处理方式：开关中断、信号量（semphore）、互斥量（mutex）。

开关中断：一般用于单核内多任务之间的互斥，其途径在于关闭任务的调度切换，从而达到单任务访问共享资源的目的。缺点是会影响实际的中断调度效率；

信号量：多任务可以通过获取信号量来获取访问共享资源的“门禁”，可以配置信号量数目，让多个任务同时获取“门禁”，当信号量无法获取时，相关任务会按照优先级排序等待信号量释放，并让出cpu资源；缺点是存在高低任务优先级反转的问题，见后续本节描述；

互斥量：任务也是通过获取mutex来获取访问共享资源的门禁，但是单此只有一个任务能获取到该互斥量。互斥量通过动态调整任务的优先级来解决高低优先级反转的问题。具体见互斥锁章节。

本章节介绍信号量semphore。

接口定义

动态创建信号量

int aos_sem_new(aos_sem_t *sem, int count)

动态创建一个sem信号量

参数：
- sem：信号量结构体指针；需要用户定义一个sem结构体
- count：此sem的初始计数值，此值大于0，才能获取到信号量，获取一次，count计数减1；
返回值：
- 类型：int 返回成功或失败；返回0表示timer创建成功，非0表示失败。

删除信号量

void aos_sem_free(aos_sem_t *sem)

删除信号量

参数：
- sem：信号量结构体指针
返回值：
- 无

释放信号量

void aos_sem_signal(aos_sem_t *sem)

释放一个sem信号量，并唤醒一个高优先级阻塞任务

参数：
- sem：信号量结构体指针
返回值：
- 无

释放一个sem信号量，并唤醒所有阻塞任务

void aos_sem_signal_all(aos_sem_t *sem)

释放一个sem信号量，并唤醒所有阻塞任务

参数：
- sem：信号量结构体指针
返回值：
- 无

信号量获得

int aos_sem_wait(aos_sem_t *sem, unsigned int timeout)

获取一个sem信号量；获取不到信号量，当前任务阻塞

参数：
- sem：信号量结构体指针
- timeout：传入0表示不超时，立即返回；AOS_WAIT_FOREVER表示永久等待；其他数值表示超时时间，单位ms
返回值：
- 类型：int 返回成功或失败；返回0表示信号量创建成功，非0表示失败（包括超时返回RHINO_BLK_TIMEOUT）

判断信号量是否有效

int aos_sem_is_valid(aos_sem_t *sem)

判断一个信号量sem是否有效

参数：
- sem：信号量结构体指针
返回值：
- 类型：int 返回1表示有效，0表示无效

示例代码

当前任务创建一个信号量和子任务，并等待子任务释放信号量

aos_sem_t test_sem;

static void task1_entry(void *arg)
{
    aos_msleep(3000);    // 任务休眠3000ms

    printf("task1 send semaphore\n");

    /*释放信号量*/
    aos_sem_signal(&test_sem);
}

static void task2_entry(void *arg)
{
    printf("task2 wait semaphore\n");

    /*获取信号量，由于初始值为0，这里获取不到信号量，当前任务进入睡眠并发生切换
      参数 -1 表示AOS_WAIT_FOREVER，直到task1任务释放信号量*/
    aos_sem_wait(&test_sem, -1);

    /*获取到信号量，当前任务继续执行下去*/
    printf("sem test successfully!\n");

    /*删除信号量*/
    aos_sem_free(&test_sem);
}

void test_sem_start(void)
{
    int ret = -1;

    aos_msleep(1000);    // 任务休眠1000ms

    /*当前任务：创建信号量，信号量初始count为0*/
    ret = aos_sem_new(&test_sem, 0);
    if (ret != 0) {
        printf("sem create failed\n");
        return;
    }

    /*判断信号量是否可用*/
    ret = aos_sem_is_valid(&test_sem);
    if (ret == 0) {
        printf("sem is invalid\n");
    }

    aos_task_new("task1", task1_entry, NULL, 512);
    aos_task_new("task2", task2_entry, NULL, 512);
}

使用注意事项

1）在中断中禁止信号量获取检测信号量的获取接口在中断上下文调用很容易发生死锁问题。当被打断的上下文和打断的中断上下文要获取同一个信号量时，会发生互相等待的情况。有些内核将这种判断处理交由上层软件进行判断和使用，本内核会在take信号量检测，如果是中断上下文，则直接返回失败。

2）占用信号量非等待、永远等待、延时使用区别上层应用在获取信号量时，需要按照实际的需求，来安排信号量获取策略。krhino_sem_take传入延时ticks为0，获取不到信号量会立即报失败；ticks为全F时，会永远在此等待，直到获取到信号量，可能会造成该任务无法继续运行；其他值标识最大延迟的时间上限，达到上限时，及时未获取到信号量，tick中断处理会将任务唤醒，并返回状态为超时。

3）信号量优先级反转问题优先级反转出现在高、中、低三个优先级任务同时访问使用信号量互斥资源时，可能存在的问题。当高优先级的任务需要的信号量被低优先级任务占用时，cpu资源会调度给低优先级任务。此时如果低优先级需要获取的另一个信号量被中优先级的pend任务所占用，那么低优先级的任务则需要等待中优先级的任务事件到来，并释放信号量，则就出现了高、中优先级的任务并不是等待一个信号量，但是中优先级任务先运行的现象。该优先级反转的缺陷，在互斥量mutex得以解决，其途径在于动态提高C任务运行优先级来避免任务优先级的反转问题，详细内容见下一章节。

4 ) 信号量整体受位于k_config.h 中的宏 RHINO_CONFIG_KOBJ_DYN_ALLOC和 RHINO_CONFIG_SEM开关控制。