RT-Thread 03任务间同步及通讯 -中断关闭、调度器锁、信号量
在多任务实时系统中，一项工作的完成往往可以通过多个任务协调的方式共同来完成，
例如一个任务从传感器中接收数据并且将数据写到共享内存中，同时另一个任务周期性的从共享内存中读取数据并发送去显示（如图 两个线程间的数据传递 ）
如果对共享内存的访问不是排他性的，那么各个线程间可能同时访问它。这将引起数据一致性的问题，例如，在显示线程试图显示数据之前，传感器线程还未完成数据的写入，那么显示将包含不同时间采样的数据，造成显示数据的迷惑。
将传感器数据写入到共享内存的代码是接收线程的关键代码段；将传感器数据从共享内存中读出的代码是显示线程的关键代码段；这两段代码都会访问共享内存。正常的操作序列应该是在一个线程对共享内存块操作完成后，才允许另一个线程去操作。对于操作/访问同一块区域，称之为临界区。
任务的同步方式有很多种，其核心思想都是：在访问临界区的时候只允许一个(或一类)任务运行。
关断中断
关闭中断也叫中断锁，是禁止多任务访问临界区最简单的一种方式，即使是在分时操作系统中也是如此。当中断关闭的时候，就意味着当前任务不会被其他事件打断（因为整个系统已经不再响应那些可以触发线程重新调度的外部事件），也就是当前线程不会被抢占，除非这个任务主动放弃了处理器控制权。关闭中断/恢复中断API接口由BSP实现，根据平台的不同其实现方式也大不相同。
关闭、打开中断接口由两个函数完成：
- 关闭中断
rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void);这个函数用于关闭中断并返回关闭中断前的中断状态。
返回调用这个函数前的中断状态
- 恢复中断
void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);这个函数“使能”中断，它采用恢复调用rt_hw_interrupt_disable()函数前的中断状态，进行“使能”中断状态，如果调用rt_hw_interrupt_disable() 函数前是关中断状态，那么调用此函数后依然是关中断状态。level参数是上一次调用rt_hw_interrupt_ disable()时的返回值。
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| level | 前一次rt_hw_interrupt_disable返回的中断状态 |
使用开关中断进行线程间同步的例子代码如下例代码所示：
/* 代码清单：关闭中断进行全局变量的访问 */
#include <rtthread.h>
/* 同时访问的全局变量 */
static rt_uint32_t cnt;
void thread_entry(void* parameter)
{
rt_uint32_t no;
rt_uint32_t level;
no = (rt_uint32_t) parameter;
while(1)
{
/* 关闭中断 */
level = rt_hw_interrupt_disable();
cnt += no;
/* 恢复中断 */
rt_hw_interrupt_enable(level);
rt_kprintf("thread[%d]'s counter is %d\n", no, cnt);
rt_thread_delay(no);
}
}
/* 用户应用程序入口 */
void rt_application_init()
{
rt_thread_t thread;
/* 创建t1线程 */
thread = rt_thread_create("t1", thread_entry, (void*)10,
512, 10, 5);
if (thread != RT_NULL) rt_thread_startup(thread);
/* 创建t2线程 */
thread = rt_thread_create("t2", thread_entry, (void*)20,
512, 20, 5);
if (thread != RT_NULL) rt_thread_startup(thread);
}警告：由于关闭中断会导致整个系统不能响应外部中断，所以在使用关闭中断做为互斥访问临界区的手段时，首先必须需要保证关闭中断的时间非常短，例如数条机器指令。
使用场合
使用中断锁来操作系统的方法可以应用于任何场合，且其他几类同步方式都是依赖于中断锁而实现的，可以说中断锁是最强大的和最高效的同步方法。只是使用中断锁最主要的问题在于，在中断关闭期间系统将不再响应任何中断，也就不能响应外部的事件。所以中断锁对系统的实时性影响非常巨大，当使用不当的时候会导致系统完全无实时性可言（可能导致系统完全偏离要求的时间需求）；而使用得当，则会变成一种快速、高效的同步方式。
例如，为了保证一行代码（例如赋值）的互斥运行，最快速的方法是使用中断锁而不是信号量或互斥量：
/* 关闭中断*/
level = rt_hw_interrupt_disable();
a = a + value;
/* 恢复中断*/
rt_hw_interrupt_enable(level);在使用中断锁时，需要确保关闭中断的时间非常短，例如上面代码中的a = a + value; 也可换成另外一种方式，例如使用信号量：
/* 获得信号量锁*/
rt_sem_take(sem_lock, RT_WAITING_FOREVER);
a = a + value;
/* 释放信号量锁*/
rt_sem_release(sem_lock);这段代码在rt_sem_take 、rt_sem_release 的实现中，已经存在使用中断锁保护信号量内部变量的行为，所以对于简单如a = a + value;的操作，使用中断锁将更为简洁快速。
调度器锁
同中断锁一样把调度器锁住也能让当前运行的任务不被换出，直到调度器解锁。但和中断锁有一点不相同的是，对调度器上锁，系统依然能响应外部中断，中断服务例程依然能进行相应的响应。所以在使用调度器上锁的方式进行任务同步时，需要考虑好任务访问的临界资源是否会被中断服务例程所修改，如果可能会被修改，那么将不适合采用此种方式进行同步。RT-Thread提供的调度锁操作API为：
void rt_enter_critical(void); /* 进入临界区*/调用这个函数后，调度器将被上锁。在锁住调度器期间，系统依然响应中断，如果中断唤醒了更高优先级的线程，调度器并不会立刻执行它，直到调用解锁调度器函数时才会尝试进行下一次调度。、
void rt_exit_critical(void); /* 退出临界区*/当系统退出临界区的时候，系统会计算当前是否有更高优先级的线程就绪，如果有比当前线程更高优先级的线程就绪，将切换到这个高优先级线程中执行；如果无更高优先级线程就绪，将继续执行当前任务。
注： rt_enter_critical/rt_exit_critical可以多次嵌套调用，但每调用一次rt_enter_critical就必须相对应地调用一次rt_exit_critical退出操作，嵌套的最大深度是65535。
使用场合
调度器锁能够方便地使用于一些线程与线程间同步的场合，由于轻型，它不会对系统中断响应造成负担；但它的缺陷也很明显，就是它不能被用于中断与线程间的同步或通知，并且如果执行调度器锁的时间过长，会对系统的实时性造成影响（因为使用了调度器锁后，系统将不再具备优先级的关系，直到它脱离了调度器锁的状态）。
信号量
信号量是一种轻型的用于解决线程间同步问题的内核对象，线程可以获取或释放它，从而达到同步或互斥的目的。信号量就像一把钥匙，把一段临界区给锁住，只允许有钥匙的线程进行访问：线程拿到了钥匙，才允许它进入临界区；而离开后把钥匙传递给排队在后面的等待线程，让后续线程依次进入临界区。
信号量工作示意图如图 信号量工作示意图所示，每个信号量对象都有一个信号量值和一个线程等待队列，信号量的值对应了信号量对象的实例数目、资源数目，假如信号量值为5，则表示共有5个信号量实例（资源）可以被使用，当信号量实例数目为零时，再申请该信号量的线程就会被挂起在该信号量的等待队列上，等待可用的信号量实例（资源）。
信号量控制块
struct rt_semaphore
{
struct rt_ipc_object parent;/*继承自ipc_object类*/
rt_uint16_t value; /* 信号量的值 */
};
/* rt_sem_t是指向semaphore结构体的指针类型 */
typedef struct rt_semaphore* rt_sem_t;rt_semaphore对象从rt_ipc_object中派生，由IPC容器所管理。信号量的最大值是65535。
信号量相关接口
创建信号量
当创建一个信号量时，内核首先创建一个信号量控制块，然后对该控制块进行基本的初始化工作，创建信号量使用下面的函数接口：
rt_sem_t rt_sem_create (const char* name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag);当调用这个函数时，系统将先分配一个semaphore对象，并初始化这个对象，然后初始化IPC对象以及与semaphore相关的部分。在创建信号量指定的参数中，信号量标志参数决定了当信号量不可用时，多个线程等待的排队方式。当选择FIFO方式时，那么等待线程队列将按照先进先出的方式排队，先进入的线程将先获得等待的信号量；当选择PRIO（优先级等待）方式时，等待线程队列将按照优先级进行排队，优先级高的等待线程将先获得等待的信号量。
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| name | 信号量名称； |
| value | 信号量初始值； |
| flag | 信号量标志，取值可以使用如下类型： |
#define RT_IPC_FLAG_FIFO 0x00 /* IPC参数采用FIFO方式*/
#define RT_IPC_FLAG_PRIO 0x01 /* IPC参数采用优先级方式*/创建成功返回创建的信号量控制块指针；否则返回RT_NULL。
创建信号量的例程如下例所示：
/*
- 程序清单：动态信号量
- 3. 这个例子中将创建一个动态信号量(初始值为0)及一个动态线程，在这个动态线程中
- 将试图采用超时方式去持有信号量，应该超时返回。然后这个线程释放一次信号量，
- 并在后面继续采用永久等待方式去持有信号量， 成功获得信号量后返回。
*/
#include 删除信号量
系统不再使用信号量时，可通过删除信号量以释放系统资源。删除信号量使用下面的函数接口：
rt_err_t rt_sem_delete (rt_sem_t sem);调用这个函数时，系统将删除这个信号量。如果删除该信号量时，有线程正在等待该信号量，那么删除操作会先唤醒等待在该信号量上的线程（等待线程的返回值是-RT_ERROR），然后再释放信号量的内存资源。
初始化信号量
对于静态信号量对象，它的内存空间在编译时期就被编译器分配出来，放在数据段或ZI段上，此时使用信号量就不再需要使用rt_sem_create接口来创建它，而只需在使用前对它进行初始化即可。初始化信号量对象可使用下面的函数接口：
rt_err_t rt_sem_init (rt_sem_t sem, const char* name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag);当调用这个函数时，系统将对这个semaphore对象进行初始化，然后初始化IPC对象以及与semaphore相关的部分。在初始化信号量指定的参数中，信号量标志参数决定了当信号量不可用时，多个线程等待的方式。当选择FIFO方式时，那么等待线程队列将按照先进先出的方式排队，先进入的线程将先获得等待的信号量；当选择PRIO（优先级等待）方式时，等待线程队列将按照优先级进行排队，优先级高的等待线程将先获得等待的信号量。
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| sem | 信号量对象的句柄； |
| name | 信号量名称； |
| value | 信号量初始值； |
| flag | 信号量标志。 |
#define RT_IPC_FLAG_FIFO 0x00 /* IPC参数采用FIFO方式*/
#define RT_IPC_FLAG_PRIO 0x01 /* IPC参数采用优先级方式*//*
* 程序清单：静态信号量
*
* 这个例子中将创建一个静态信号量（初始值为0 ）及一个静态线程，在这个静态线程中
* 将试图采用超时方式去获取信号量，应该超时返回。然后这个线程释放一次信号量，并
* 在后面继续采用永久等待方式去获取信号量， 成功获得信号量后返回。
*/
#include 脱离信号量
脱离信号量就是让信号量对象从内核对象管理器中移除掉。脱离信号量使用下面的函数
接口：
rt_err_t rt_sem_detach (rt_sem_t sem);使用该函数后，内核先唤醒所有挂在该信号量等待队列上的线程，然后将该信号量从内核对象管理器中删除。原来挂起在信号量上的等待线程将获得-RT_ERROR 的返回值。
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| sem | 信号量对象的句柄。 |
获取信号量
线程通过获取信号量来获得信号量资源实例，当信号量值大于零时，线程将获得信号量，并且相应的信号量值都会减1，获取信号量使用下面的函数接口：
rt_err_t rt_sem_take (rt_sem_t sem, rt_int32_t time);在调用这个函数时，如果信号量的值等于零，那么说明当前信号量资源实例不可用，申请该信号量的线程将根据time参数的情况选择直接返回、或挂起等待一段时间、或永久等待，直到其他线程或中断释放该信号量。如果在参数time指定的时间内依然得不到信号量，线程将超时返回，返回值是-RT_ETIMEOUT。
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| sem | 信号量对象的句柄； |
| time | 指定的等待时间，单位是操作系统时钟节拍（OS Tick）。 |
无等待获取信号量
当用户不想在申请的信号量上挂起线程进行等待时，可以使用无等待方式获取信号量，无等待获取信号量使用下面的函数接口：
rt_err_t rt_sem_trytake(rt_sem_t sem);这个函数与rt_sem_take(sem, 0) 的作用相同，即当线程申请的信号量资源实例不可用的时候，它不会等待在该信号量上，而是直接返回-RT_ETIMEOUT。
释放信号量
当线程完成资源的访问后，应尽快释放它持有的信号量，使得其他线程能获得该信号量。释放信号量使用下面的函数接口：
rt_err_t rt_sem_release(rt_sem_t sem);当信号量的值等于零时，并且有线程等待这个信号量时，将唤醒等待在该信号量线程队列中的第一个线程，由它获取信号量。否则将把信号量的值加一。
/*
* 程序清单：生产者消费者例子
*
* 这个例子中将创建两个线程用于实现生产者消费者问题
*/
#include