同步互斥與通信

一、同步與互斥的概念

二、同步與互斥并不簡單

三、各類方法的對比

一、同步與互斥的概念

一句話理解同步與互斥：我等你用完廁所，我再用廁所。

什么叫同步？就是：哎哎哎，我正在用廁所，你等會。

什么叫互斥？就是：哎哎哎，我正在用廁所，你不能進來。

同步與互斥經常放在一起講，是因為它們之的關系很大，“互斥”操作可以使用“同步”來實現。我“等”你用完廁所，我再用廁所。這不就是用“同步”來實現“互斥”嗎？

再舉一個例子。在團隊活動里，同事A先寫完報表，經理B才能拿去向領導匯報。

經理B必須等同事A完成報表，AB之間有依賴，B必須放慢腳步，被稱為同步。在團隊活動中，同事A已經使用會議室了，經理B也想使用，即使經理B是領導，他也得等著，這就叫互斥。經理B跟同事A說：你用完會議室就提醒我。這就是使用"同步"來實現"互斥"。

01 void 搶廁所(void)
02 {
03     if (有人在用) 我瞇一會;
04     用廁所;
05     喂，醒醒，有人要用廁所嗎;
06 }

假設有A、B兩人早起搶廁所，A先行一步占用了；B慢了一步，于是就瞇一會；當A用完后叫醒B，B也就愉快地上廁所了。

在這個過程中，A、B是互斥地訪問“廁所”，“廁所”被稱之為臨界資源。我們使用了“休眠-喚醒”的同步機制實現了“臨界資源”的“互斥訪問”。

同一時間只能有一個人使用的資源，被稱為臨界資源。比如任務A、B都要使用串口來打印，串口就是臨界資源。如果A、B同時使用串口，那么打印出來的信息就是A、B混雜，無法分辨。所以使用串口時，應該是這樣：A用完，B再用；B用完，A再用。

二、同步與互斥并不簡單

在裸機程序里，可以使用一個全局變量或靜態變量實現互斥操作，比如要互斥地使用 LCD，可以使用如下代碼：

01 int LCD_PrintString(int x, int y, char *str)
02 {
03     static int bCanUse = 1;
04     if (bCanUse)
05     {
06         bCanUse = 0;
07         /* 使用LCD */
08         bCanUse = 1;
09         return 0;
10     }
11     return -1;
12 }

但是在 RTOS 里，使用上述代碼實現互斥操作時，大概率是沒問題的，但是無法確保萬無一失。

假設如下場景：有兩個任務 A、B 都想調用 LCD_PrintString，任務 A 執行到第 4 行代碼時發現 bCanUse 為 1，可以進入 if 語句塊，它還沒執行第 6 句指令就被切換出去了；然后任務 B 也調用 LCD_PrintString，任務 B 執行到第 4 行代碼時也發現 bCanUse 為 1，也可以進入 if 語句塊使用 LCD。在這種情況下，使用靜態變量并不能實現互斥操作。

上述例子中，是因為第 4、第 6 兩條指令被打斷了，那么如下改進：在函數入口處先然讓 bCanUse 減一。這能否實現萬無一失的互斥操作呢？

01 int LCD_PrintString(int x, int y, char *str)
02 {
03     static int bCanUse = 1;
04     bCanUse--;
05     if (bCanUse == 0)
06     {
07         /* 使用LCD */
08         bCanUse++;
09         return 0;
10     }
11     else
12     {
13         bCanUse++;
14         return -1;
15     }
16 }

把第 4 行的代碼使用匯編指令表示如下：

04.1 LDR R0, [bCanUse] ????// 讀取bCanUse的值，存入寄存器R0

04.2 DEC R0, #1 ????????????????// 把R0的值減一

04.3 STR R0, [bCanUse]? ? // 把R0寫入變量bCanUse

假設如下場景：有兩個任務 A、B 都想調用 LCD_PrintString，任務 A 執行到第 04.1 行代碼時讀到的 bCanUse 為 1，存入寄存器 R0 就被切換出去了；然后任務 B 也調用LCD_PrintString，任務 B 執行到第 4 行時發現 bCanUse 為 1 并把它減為 0，執行到第 5 行代碼時發現條件成立可以進入 if 語句塊使用 LCD，然后任務 B 也被切換出去了；現在任務 A 繼續運行第 04.2 行代碼時 R0 為 1，運行到第 04.3 行代碼時把 bCanUse 設置為 0，后續也能成功進入 if 的語句塊。在這種情況下，任務 A、B 都能使用 LCD。

上述方法不能保證萬無一失的原因在于：在判斷過程中，被打斷了。如果能保證這個過程不被打斷，就可以了：通過關閉中斷來實現。

示例 1 的代碼改進如下：在第 5~7 行前關閉中斷。

01 int LCD_PrintString(int x, int y, char *str)
02 {
03     static int bCanUse = 1;
04     disable_irq();        //關閉中斷
05     if (bCanUse)
06     {
07         bCanUse = 0;
08         enable_irq();    //開啟中斷
09         /* 使用LCD */
10         bCanUse = 1;
11         return 0;
12     }
13     enable_irq();        //開啟中斷
14     return -1;
15 }

示例 2 的代碼改進如下：在第 5 行前關閉中斷。

01 int LCD_PrintString(int x, int y, char *str)
02 {
03     static int bCanUse = 1;
04     disable_irq();
05     bCanUse--;
06     enable_irq();
07     if (bCanUse == 0)
08     {
09         /* 使用LCD */
10         bCanUse++;
11         return 0;
12     }
13     else
14     {
15         disable_irq();
16         bCanUse++;
17         enable_irq();
18         return -1;
19     }
20 }

關閉中斷的方法并不是萬無一失的：假設現在有任務A和任務B在執行以下函數，在A打印后過了1ms，B被調度，但B只是進行判斷，但會一直失敗，過了1msA被調度繼續打印，打印完后過了1ms輪到B，B也是繼續判斷然后一直失敗，這樣子導致的結果是B占用了cpu資源，與同步例子類似，那么此時解決方法是：將B執行時若A已經在打印了，將B設置為阻塞狀態，于是A繼續打印，等到A打印完畢，將B喚醒，B才能正常打印。

void CalTask(void *params)//計時函數
{uint32_t i = 0;time = system_get_ns();//程序執行到此的時間for(i=0;i<10000000;i++){sum += i;}Cal_end = 1;//計算標志位置1time = system_get_ns() - time;//先計算程序到此的時間 再減去之前的時間 得到for循環中的時間vTaskDelete(NULL);
}void LcdPrintTask(void *params)
{int len;while(1){/* 打印信息 */LCD_PrintString(0,0,"waitting");vTaskDelay(2000);//讓此任務進入阻塞狀態 等上面任務執行完畢在執行這里 讓下面的while死循環不會占用cpu資源 不調用此函數則不會進入阻塞 會一直死等 為同步例子while(Cal_end == 0);//這里是在等待上面的計數完畢 若不使用上一行的vTaskDelay函數 則會在這里死等 占用cpu資源 因為兩個任務是交叉執行 若沒有上一行的vTaskDelay函數 燒錄完發現時間為2s左右 由于兩個任務叫交叉執行 若將B任務刪除只執行A任務 則時間差不多為一半即1ms 那么此時就可以調用vTaskDelay函數讓此任務進入阻塞狀態 讓task1先執行 執行完畢計時標志位置1 同時vTaskDelay函數計時完畢后進入此時的死循環 此時計時標志位置1直接跳出循環 不會讓程序卡在這里占用cpu資源 就可以準確計算出程序執行時間if(flag){flag = 0;LCD_ClearLine(0,0);len = LCD_PrintString(0,0,"Sum:");//這里的返回值是打印任務的長度len += LCD_PrintHex(len,0,sum,1);//將打印名字處后打印":"的長度一起加上 得到的長度是打印完任務名字和"："后的長度LCD_ClearLine(0,2);len = LCD_PrintString(0,2,"Time(ms):");len += LCD_PrintSignedVal(len,2,time/1000000);flag = 1;}vTaskDelete(NULL);}
}/* FreeRTOS.c中創建任務 */
xTaskCreate(CalTask,"taskA",128,NULL,osPriorityNormal,NULL);
xTaskCreate(LcdPrintTask,"taskB",128,&Task2,osPriorityNormal,NULL);

同步例子（任務B沒有阻塞）

由結果可知，兩個任務程序是交叉進行的，在RTOS中，任務級相同的任務每隔1s交叉運行，所以任務A執行1s（開始計時）后切到任務B，而A沒執行完畢 flag 始終為 0，那么任務B就會死等（任務A沒執行完畢，仍在計時） flag 為1，當B執行完A繼續執行（繼續計時）后 flag 為1后進入任務B才能成功計時完畢。可見時間大約為2s，若只有程序A執行，那么時間大約為1s左右。

互斥例子（任務B阻塞）

任務A不斷計時，任務A執行完1s后任務B執行，而任務B中調用了阻塞函數，所以繼續輪到任務A執行，任務A執行完畢跳轉到任務B中B成功打印計時值。（這里的計數值主要來源于任務A，所以若任務A執行完畢，會停止計時，所以B中的阻塞延時（只是2s后延時）對于計時結果無影響，為了能夠更好準確的得到計時值）

三、各類方法的對比

能實現同步、互斥的內核方法有：任務通知(task notification)、隊列(queue)、事件組 (event group)、信號量(semaphoe)、互斥量(mutex)。

它們都有類似的操作方法：獲取/釋放、阻塞/喚醒、超時。比如：

任務 A 獲取資源，用完后任務 A 釋放資源
任務 A 獲取不到資源則阻塞，任務 B 釋放資源并把任務 A 喚醒
任務 A 獲取不到資源則阻塞，并定個鬧鐘；A 要么超時返回，要么在這段時間內因為任務 B 釋放資源而被喚醒。

通過對比的方法來區分：

能否傳信息？還是只能傳遞狀態？
為眾生（所有任務都可以使用）？只為你（只能指定任務使用）？
我生產，你們消費？
我上鎖，只能由我開鎖

內核對象	生產者	消費者	數據/狀態	說明
隊列	ALL	ALL	數據：若干個數據誰都可以往隊列里扔數據，誰都可以從隊列里讀數據	用來傳遞數據，發送者、接收者無限制，一個數據只能喚醒一個接收者
事件組	ALL	ALL	多個位：或、與誰都可以設置(生產)多個位，誰都可以等待某個位、若干個位	用來傳遞事件，可以是 N 個事件，發送者、接受者無限制，可以喚醒多個接收者：像廣播
信號量	ALL	ALL	數量：0~n 誰都可以增加一個數量，誰都可消耗一個數量	用來維持資源的個數，生產者、消費者無限制， 1 個資源只能喚醒 1 個接收者
任務通知	ALL	只有我	數據、狀態都可以傳輸，使用任務通知時，必須指定接受者	N 對 1 的關系：發送者無限制，接收者只能是這個任務
互斥量	A 上鎖	只能 A 開鎖	位：0、1 我上鎖：1 變為 0，只能由我開鎖：0 變為 1	就像一個空廁所，誰使用誰上鎖，也只能由他開鎖

使用圖形對比如下：

隊列：
- 里面可以放任意數據，可以放多個數據
- 任務、ISR 都可以放入數據；任務、ISR 都可以從中讀出數據
事件組：
- 一個事件用一 bit 表示，1 表示事件發生了，0 表示事件沒發生
- 可以用來表示事件、事件的組合發生了，不能傳遞數據
- 有廣播效果：事件或事件的組合發生了，等待它的多個任務都會被喚醒
信號量：
- 核心是"計數值"
- 任務、ISR 釋放信號量時讓計數值加 1
- 任務、ISR 獲得信號量時，讓計數值減 1
任務通知：
- 核心是任務的 TCB 里的數值
- 會被覆蓋
- 發通知給誰？必須指定接收任務
- 只能由接收任務本身獲取該通知
互斥量：
- 數值只有 0 或 1
- 誰獲得互斥量，就必須由誰釋放同一個互斥量