一、基本概念

同步與互斥是多任務/多線程編程中的兩個核心機制：

• 同步：指多個任務之間存在明確的先后順序，一個任務必須等待另一個任務完成某些操作后才能繼續執行。

• 互斥：指多個任務在同一時刻爭搶使用同一資源（臨界資源），必須通過某種機制保證同一時間只有一個任務可以使用該資源。

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二、線程安全問題的由來

問題描述

當多個任務同時訪問一個共享資源（如全局變量）時，如果沒有適當的保護機制，就會出現數據不一致的問題。

示例分析：全局變量?count++

c

int count = 0;
// 兩個線程同時執行 count++

count++?實際上包含三個步驟（非原子操作）：

1. 讀取?count?的值到寄存器

2. 對寄存器中的值加 1

3. 將結果寫回?count?的內存地址

執行流程（可能出現的問題）：

1. 線程 A 讀取?count = 0，準備加 1；

2. 此時切換到線程 B，也讀取?count = 0，完成加 1 并寫回，count?變為 1；

3. 切換回線程 A，繼續執行加 1（基于之前讀到的 0），寫回后?count?仍為 1。

預期結果為 2，實際結果為 1，這就是典型的線程安全問題，也稱為數據競爭。

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三、同步機制的缺陷

• 使用同步機制（如忙等待）會導致任務死等，浪費 CPU 資源。

• 應避免使用?while()?循環進行無意義的等待，而應使用阻塞機制讓出 CPU。

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四、全局變量在 RTOS 中的存儲位置

問題：全局變量存儲在哪個棧中？

答案：全局變量不屬于任何一個任務的棧。

內存區域劃分：

1. 代碼區 (Text Segment)：存放程序指令。

2. 全局/靜態數據區 (Data/BSS Segment)：

   • 存放全局變量和靜態變量；

   • 在程序啟動時分配，生命周期貫穿整個程序；

   • 被所有任務和中斷共享。

3. 堆區 (Heap)：動態分配的內存（如?malloc?/?pvPortMalloc）。

4. 棧區 (Stack)：

   • 主棧/中斷棧：用于 ISR 和內核調度；

   • 任務棧：每個任務獨立擁有，用于存放局部變量和上下文。

結論：

全局變量存儲在全局數據區，是共享資源，訪問時需使用臨界區、信號量、互斥鎖等機制進行保護。

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五、volatile?關鍵字的作用

問題背景：

在編譯器優化的情況下，可能會將變量緩存在寄存器中，導致多任務環境中讀取到舊值。

示例代碼（無?volatile）：

c

int g_calc_end = 0;// Writer 任務
void vWriterTask(void *pvParameters) {while(1) {g_calc_end = 1; // 修改全局變量}
}// Reader 任務
void vReaderTask(void *pvParameters) {while(1) {if (g_calc_end == 1) { // 判斷全局變量// 執行操作g_calc_end = 0;}vTaskDelay(1);}
}

問題流程：

1. Reader 任務第一次讀取?g_calc_end?到寄存器；

2. 編譯器優化后，后續判斷直接使用寄存器中的值（不再從內存讀取）；

3. Writer 任務修改了內存中的?g_calc_end；

4. Reader 任務仍然使用寄存器中的舊值，導致判斷錯誤。

解決方案：使用?volatile

c

volatile int g_calc_end = 0;

volatile?的作用：

• 告訴編譯器該變量是“易變的”；

• 禁止對其進行優化：

  • 每次讀取必須從內存中重新加載；

  • 每次寫入必須立即寫回內存。

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六、補充與總結

疏漏補充：

1. 原子操作：某些架構提供原子指令（如?__atomic_inc），可避免數據競爭；

2. 臨界區保護：使用開關中斷、調度器鎖、互斥量等方法保護共享資源；

3. 任務通信機制：除了全局變量，還可使用隊列、事件組、信號量等進行任務間同步與通信；

4. 內存屏障：在多核系統中，可能需要使用內存屏障指令確保內存訪問順序。

總結圖示：

（見原筆記中的圖片，圖示展示了同步與互斥的機制和資源訪問流程）

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七、最佳實踐建議

1. 盡量避免使用全局變量，優先使用 RTOS 提供的通信機制；

2. 若必須使用共享資源，務必使用互斥鎖或信號量進行保護；

3. 對于可能被異步修改的變量，必須使用?volatile?聲明；

4. 在臨界區中盡量減少操作時間，避免影響系統實時性；

5. 合理使用任務阻塞機制，避免忙等待浪費 CPU 資源。