在 FreeRTOS 中，當讀操作遠多于寫操作時，使用**互斥量（Mutex）會導致讀任務頻繁阻塞，降低系統性能。此時，可以通過實現讀者-寫者鎖（Reader-Writer Lock）**優化，允許多個讀任務并發訪問共享數據，而寫任務獨占訪問。以下是具體分析和實現方案：

方案分析與選擇

為什么需要讀者-寫者鎖？

• 讀多寫少場景：允許多個讀任務同時訪問，提升吞吐量。

• 寫操作原子性：寫任務需獨占資源，避免數據不一致。

• 避免優先級反轉：通過 FreeRTOS 的任務通知機制優化喚醒邏輯。

  實現原理

• 二元信號量（readersSem）：控制新讀任務的進入，寫任務執行時阻塞新讀任務。

• 互斥量（rwMutex）：保護共享的讀者計數（readerCount）。

• 任務通知（Task Notification）：喚醒等待的寫任務，避免忙等待。

  代碼實現

  全局變量與初始化

• #include "FreeRTOS.h"
  #include "task.h"
  #include "semphr.h"int sharedData = 0;                // 共享數據
  SemaphoreHandle_t readersSem;      // 控制新讀任務的進入
  SemaphoreHandle_t rwMutex;         // 保護讀者計數
  int readerCount = 0;               // 當前活躍的讀者數量
  TaskHandle_t writerTaskHandle = NULL; // 等待中的寫任務句柄void init() {readersSem = xSemaphoreCreateBinary();xSemaphoreGive(readersSem);     // 初始化為可用rwMutex = xSemaphoreCreateMutex();
  }

  讀任務實現

• void readTask(void *pvParameters) {while (1) {// 1. 允許其他讀任務進入，但阻止新讀任務在寫任務等待時進入xSemaphoreTake(readersSem, portMAX_DELAY);xSemaphoreGive(readersSem);// 2. 增加讀者計數xSemaphoreTake(rwMutex, portMAX_DELAY);readerCount++;xSemaphoreGive(rwMutex);// 3. 執行讀操作（無需加鎖）int localData = sharedData;// 4. 減少讀者計數，喚醒等待的寫任務xSemaphoreTake(rwMutex, portMAX_DELAY);readerCount--;if (readerCount == 0 && writerTaskHandle != NULL) {xTaskNotifyGive(writerTaskHandle); // 通知寫任務繼續}xSemaphoreGive(rwMutex);vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100)); // 模擬其他操作}
  }

  寫任務實現

• void writeTask(void *pvParameters) {while (1) {// 1. 獲取 readersSem，阻止新讀任務進入xSemaphoreTake(readersSem, portMAX_DELAY);// 2. 檢查是否有活躍讀者，若無則直接寫；若有則等待xSemaphoreTake(rwMutex, portMAX_DELAY);if (readerCount > 0) {writerTaskHandle = xTaskGetCurrentTaskHandle();xSemaphoreGive(rwMutex);ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY); // 掛起等待讀者退出xSemaphoreTake(rwMutex, portMAX_DELAY);}// 3. 執行寫操作（此時無活躍讀者）sharedData++;// 4. 清理狀態并釋放信號量writerTaskHandle = NULL;xSemaphoreGive(rwMutex);xSemaphoreGive(readersSem); // 允許新讀任務進入vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 模擬其他操作}
  }

  關鍵機制說明

• 讀任務并發

  • 新讀任務通過readersSem快速進入，僅短暫阻塞。

  • 已進入的讀任務通過readerCount統計，不影響彼此。

• 寫任務獨占

  • 寫任務通過readersSem阻止新讀任務進入。

  • 通過ulTaskNotifyTake掛起等待，直到最后一個讀任務退出并發送通知。

• 優先級繼承優化

  • FreeRTOS 的互斥量（rwMutex）自動啟用優先級繼承，避免低優先級任務阻塞高優先級任務。

  • 注意事項

  • 寫任務饑餓

    • 如果讀任務持續不斷，寫任務可能長期等待。需在設計中平衡讀寫優先級。

  • 多寫任務場景

    • 當前實現假設單寫任務。如需支持多寫任務，需引入隊列管理等待的寫任務。

  • 錯誤處理

    • 檢查信號量創建是否成功（如xSemaphoreCreateMutex返回非NULL）。

    • 使用超時機制（如portMAX_DELAY）避免死鎖。

  • 性能測試

    • 在高負載場景下驗證讀寫吞吐量，確保設計符合預期。

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    總結

    通過讀者-寫者鎖的實現，讀任務可以高效并發，而寫任務保證數據一致性。此方案在 FreeRTOS 中充分利用任務通知和互斥量，兼顧性能與可靠性，適用于讀多寫少的場景。