RT-Thread记录（六、IPC机制之信号量、互斥量和事件集）

上文说到 RT-Thread 对临界区的处理方式有多种，其中已经分析了关闭调度器和屏蔽中断的方式，
本文就来学学另外的线程同步方式。

前言

在我们专栏前面的文章中，已经学习过 RT-Thread 线程操作函数、软件定时器、临界区的保护，我们都进行了一些底层的分析，能让我们更加理解 RT-Thread 的内核，但是也不要忽略了上层的函数使用 要理解 RT-Thread 面向对象的思想，对所有的这些线程啊，定时器，包括要介绍的信号量，邮箱这些，都是以 对象 来操作，直白的说来就是 对于所有这些对象，都是以结构体的形式来表示，然后通过对这个对象结构体的操作来进行的。

本文所要介绍的内容属于 IPC机制，这些内容相对来说比较简单，我们重点在于学会如何使用以及了解他们的使用场合。

本 RT-Thread 专栏记录的开发环境：

RT-Thread记录（一、RT-Thread 版本、RT-Thread Studio开发环境 及 配合CubeMX开发快速上手）

一、IPC机制

在嵌入式操作系统中，运行代码主要包括线程 和 ISR，在他们的运行过程中，因为应用或者多线程模型带来的需求，有时候需要同步，有时候需要互斥，有时候也需要彼此交换数据。操作系统必须提供相应的机制来完成这些功能，这些机制统称为 线程间通信（IPC机制）。

本文所要介绍的就是关于线程同步的信号量、互斥量、事件 也属于 IPC机制。

RT-Thread 中的 IPC机制包括信号量、互斥量、事件、邮箱、消息队列。对于学习 RT-Thread ，这些IPC机制我们必须要学会灵活的使用。

为什么要说一下这个IPC机制？

我们前面说到过，RT-Thread 面向对象的思想，所有的这些 IPC 机制都被当成一个对象，都有一个结构体控制块，我们用信号量结构体来看一看：

Kernel object有哪些，我们可以从基础内核对象结构体定义下面的代码找到：

本节说明了 RT-Thread 的 IPC 机制，同时通过 信号量的结构体控制块再一次的认识了 RT-Thread 面向对象的设计思想。

在我的 FreeRTOS 专栏中，对于FreeRTOS 的信号量，互斥量，事件集做过说明和测试。在这个部分，实际上 RT-Thread 与 FreeRTOS 是类似的，都是一样的思想。所以如果属熟悉FreeRTOS的话，这部分是简单的，我们要做的就是记录一下 对象的控制块，和操作函数，加以简单的示例测试。

二、信号量

信号量官方的说明是：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。

信号量非常灵活，可以使用的场合也很多：

• 比如 一个典型的应用场合就是停车位模型，总共有多少个车位，就是多少个信号量，入口进入一辆车信号量-1，出口离开一辆车信号量+1。
• 比如 两个线程之间的同步，信号量的值初始化成 0，而尝试获得该信号量的线程，一定需要等待另一个释放信号量的线程先执行完。

在 FreeRTOS 中存在二值信号量，但是 RT-Thread 中已经没有了，官方有说明：

信号量记住一句话基本就可以，释放一次信号量就+1，获取一次就-1，如果信号量数据为0，那么尝试获取的线程就会挂机，直到有线程释放信号量使得信号量大于0。

2.1 信号量控制块

老规矩用源码，解释看注释（使用起来也方便复制 ~ ~！）：

#ifdef RT_USING_SEMAPHORE
/**
 * Semaphore structure
 * value 信号量的值，直接表明目前信号量的数量
 */
struct rt_semaphore
{
    struct rt_ipc_object parent;                        /**< inherit from ipc_object */

    rt_uint16_t          value;                         /**< value of semaphore. */
    rt_uint16_t          reserved;                      /**< reserved field */
};
/*
rt_sem_t 是指向 semaphore 结构体的指针类型
*/
typedef struct rt_semaphore *rt_sem_t;
#endif

2.2 信号量操作

2.2.1 创建和删除

同以前的线程那些一样，动态的方式，先定义一个信号量结构体的指针变量，接收创建好的句柄。

创建信号量：

/*
参数的含义：
1、name 	信号量名称
2、value 	信号量初始值
3、flag 	信号量标志，它可以取如下数值： RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO
返回值：
信号量创建成功,返回信号量的控制块指针
信号量创建失败,返回RT_BULL 
*/
rt_sem_t rt_sem_create(const char *name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag)

对于最后的参数 flag，决定了当信号量不可用时（就是当信号量为0的时候），多个线程等待的排队方式。只有RT_IPC_FLAG_FIFO （先进先出）或 RT_IPC_FLAG_PRIO（优先级等待）两种 flag。

关于用哪一个，要看具体的情况，官方有特意说明：

删除信号量：

/*
参数：
sem 	rt_sem_create() 创建的信号量对象,信号量句柄
返回值：
RT_EOK 	删除成功
*/
rt_err_t rt_sem_delete(rt_sem_t sem)

2.2.2 初始化和脱离

静态的方式，先定义一个信号量结构体，然后对他进行初始化。

初始化信号量：

/**
参数的含义：
1、sem 		信号量对象的句柄，就是开始定义的信号量结构体变量
2、name 	信号量名称
3、value 	信号量初始值
4、flag 	信号量标志，它可以取如下数值： RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO
返回值：
RT_EOK 	初始化成功
 */
rt_err_t rt_sem_init(rt_sem_t    sem,
                     const char *name,
                     rt_uint32_t value,
                     rt_uint8_t  flag)

脱离信号量：

/*
参数：
sem 	信号量对象的句柄
返回值：
RT_EOK 	脱离成功
*/
rt_err_t rt_sem_detach(rt_sem_t sem);

2.2.3 获取信号量

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会减 1。

/**
参数：
1、sem 		信号量对象的句柄
2、time 	指定的等待时间，单位是操作系统时钟节拍（OS Tick）
返回值：
RT_EOK 			成功获得信号量
-RT_ETIMEOUT 	超时依然未获得信号量
-RT_ERROR 		其他错误
 */
rt_err_t rt_sem_take(rt_sem_t sem, rt_int32_t time)

注意！要等待的时间是系统时钟节拍（OS Tick）。

无等待获取信号量：

//就是上面获取的等待时间为0的方式
rt_err_t rt_sem_trytake(rt_sem_t sem)
{
    return rt_sem_take(sem, 0);
}

当线程申请的信号量资源实例为0时，直接返回 - RT_ETIMEOUT。

2.2.4 释放信号量

释放信号量可以使得该信号量+1，如果有线程在等待这个信号量，可以唤醒这个线程。

/**
参数：
sem 	信号量对象的句柄
返回值：
RT_EOK 	成功释放信号量
 */
rt_err_t rt_sem_release(rt_sem_t sem)

2.3 示例（典型停车场模型）

前面说到过，信号量非常灵活，可以使用的场合也很多，官方也有很多例子，我们这里做个典型的示例
— 停车场模型（前面用截图做解释，后面会附带源码）。

示例中，我们使用两个不同的按键来模拟车辆的进出，但是考虑到我们还没有学设备和驱动，没有添加按键驱动，所以我们用古老的方式来实现按键操作：

按键key3，代表车辆离开：

按键key2，代表车辆进入：

信号量的创建，初始10个车位：

当然不要忘了，车辆进入和车辆离开（两个按键）是需要两个线程的。

我们来看看测试效果，说明如图：

注意上图测试最后的细节，虽然 one car get out！ 但是打印出来的停车位还是0，可以这么理解，key3_thread_entry线程释放了信号量以后还没来得及打印，等待信号量的线程key2_thread_entry就获取到了信号量。

具体的分析需要看rt_sem_release函数源码，里面会判断是否需要值+1，以及是否需要调度：

附上上面测试代码:

/*
 * Copyright (c) 2006-2022, RT-Thread Development Team
 *
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 *
 * Change Logs:
 * Date           Author       Notes
 * 2022-02-16     RT-Thread    first version
 */

#include 
#include "main.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

#define DBG_TAG "main"
#define DBG_LVL DBG_LOG
#include 

static struct rt_thread led1_thread;    //led1线程
static char led1_thread_stack[256];

static rt_thread_t led2_thread = RT_NULL; //led2线程

static rt_thread_t key2_thread = RT_NULL; //

static rt_thread_t key3_thread = RT_NULL; //

rt_sem_t mysem;


static void led1_thread_entry(void *par){
    while(1){
        LED1_ON;
        rt_thread_mdelay(1000);
        LED1_OFF;
        rt_thread_mdelay(1000);
    }
}

static void led2_thread_entry(void *par){
    while(1){
        LED2_ON;
        rt_thread_mdelay(500);
        LED2_OFF;
        rt_thread_mdelay(500);
    }
}

static void key2_thread_entry(void *par){
    static rt_err_t result;
    while(1){
        if(key2_read == 0){
            rt_thread_mdelay(10); //去抖动
            if(key2_read == 0){
                result = rt_sem_take(mysem, 1000);
                if (result != RT_EOK)
                {
                    rt_kprintf("the is no parking spaces now...\r\n");
                }
                else
                {
                    rt_kprintf("one car get in!,we have %d parking spaces now...\r\n",mysem->value);
                }
                while(key2_read == 0){rt_thread_mdelay(10);}
            }
        }
        rt_thread_mdelay(1);
    }
}

static void key3_thread_entry(void *par){
    while(1){
        if(key3_read == 0){
            rt_thread_mdelay(10); //去抖动
            if(key3_read == 0){
                if(mysem->value < 10){
                    rt_sem_release(mysem);
                    rt_kprintf("one car get out!,we have %d parking spaces now...\r\n",mysem->value);
                }
                while(key3_read == 0){rt_thread_mdelay(10);} //去抖动
            }
        }
        rt_thread_mdelay(1);
    }
}
int main(void)
{
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();


    rt_err_t rst2;
    rst2 = rt_thread_init(&led1_thread,
                        "led1_blink ",
                        led1_thread_entry,
                        RT_NULL,
                        &led1_thread_stack[0],
                        sizeof(led1_thread_stack),
                        RT_THREAD_PRIORITY_MAX -1,
                        50);

    if(rst2 == RT_EOK){
        rt_thread_startup(&led1_thread);
    }


    mysem = rt_sem_create("my_sem1", 10, RT_IPC_FLAG_FIFO);
    if(RT_NULL == mysem){
        LOG_E("create sem failed!...\n");
    }
    else LOG_D("we have 10 parking spaces now...\n");

    key2_thread = rt_thread_create("key2_control",
                                key2_thread_entry,
                                RT_NULL,
                                512,
                                RT_THREAD_PRIORITY_MAX -2,
                                50);

        /* 如果获得线程控制块，启动这个线程 */
        if (key2_thread != RT_NULL)
            rt_thread_startup(key2_thread);

     key3_thread = rt_thread_create("key3_control",
                                key3_thread_entry,
                                RT_NULL,
                                512,
                                RT_THREAD_PRIORITY_MAX -2,
                                50);

        /* 如果获得线程控制块，启动这个线程 */
        if (key3_thread != RT_NULL)
            rt_thread_startup(key3_thread);
    return RT_EOK;
}


void led2_Blink(){
    led2_thread = rt_thread_create("led2_blink",
                            led2_thread_entry,
                            RT_NULL,
                            256,
                            RT_THREAD_PRIORITY_MAX -1,
                            50);

    /* 如果获得线程控制块，启动这个线程 */
    if (led2_thread != RT_NULL)
        rt_thread_startup(led2_thread);
}

MSH_CMD_EXPORT(led2_Blink, Led2 sample);

三、互斥量

互斥量是一种特殊的二值信号量。互斥量的状态只有两种，开锁或闭锁（两种状态值）。

互斥量支持递归，持有该互斥量的线程也能够再次获得这个锁而不被挂起。自己能够再次获得互斥量。

互斥量可以解决优先级翻转问题，它能够实现优先级继承。

互斥量互斥量不能在中断服务例程中使用。

3.1 优先级翻转

优先级翻转，我在以前 FreeRTOS 专栏写过：

再用官方的图加深理解：

3.2 优先级继承

优先级继承，我在以前 FreeRTOS 专栏也写过：

再用官方的图加深理解：

需要切记的是互斥量不能在中断服务例程中使用。

3.3 互斥量控制块

#ifdef RT_USING_MUTEX
/**
 * Mutual exclusion (mutex) structure
 * parent 				继承ipc类
 * value 				互斥量的值
 * original_priority 	持有线程的原始优先级
 * hold 				持有线程的持有次数，可以多次获得
 * *owner				当前拥有互斥量的线程
 */
struct rt_mutex
{
    struct rt_ipc_object parent;              /**< inherit from ipc_object */
    rt_uint16_t          value;                /**< value of mutex */
    rt_uint8_t           original_priority;    /**< priority of last thread hold the mutex */
    rt_uint8_t           hold;                 /**< numbers of thread hold the mutex */

    struct rt_thread    *owner;               /**< current owner of mutex */
};
/* rt_mutext_t 为指向互斥量结构体的指针类型  */
typedef struct rt_mutex *rt_mutex_t;
#endif

3.4 互斥量操作

3.2.1 创建和删除

先定义一个指向互斥量结构体的指针变量，接收创建好的句柄。

创建互斥量：

/**
参数的含义：
1、name 	互斥量名称
2、flag 	该标志已经作废，无论用户选择 RT_IPC_FLAG_PRIO 还是 RT_IPC_FLAG_FIFO，
			内核均按照 RT_IPC_FLAG_PRIO 处理
返回值：
互斥量创建成功,返回互斥量的控制块指针
互斥量创建失败,返回RT_BULL 
 */
rt_mutex_t rt_mutex_create(const char *name, rt_uint8_t flag)

删除互斥量：

/**
参数：
mutex	互斥量对象的句柄
返回值：
RT_EOK 	删除成
 */
rt_err_t rt_mutex_delete(rt_mutex_t mutex)

3.2.2 初始化和脱离

静态的方式，先定义一个互斥量结构体，然后对他进行初始化。

初始化互斥量：

/**
参数的含义：
1、mutex 互斥量对象的句柄，指向互斥量对象的内存块，开始定义的结构体
2、name 	互斥量名称
3、flag 	该标志已经作废，按照 RT_IPC_FLAG_PRIO （优先级）处理
返回值：
RT_EOK 	初始化成功
 */
rt_err_t rt_mutex_init(rt_mutex_t mutex, const char *name, rt_uint8_t flag)

脱离互斥量：

/**
参数：
mutex	互斥量对象的句柄
返回值：
RT_EOK 	成功
 */
rt_err_t rt_mutex_detach(rt_mutex_t mutex)

3.2.3 获取互斥量

一个时刻一个互斥量只能被一个线程持有。

如果互斥量没有被其他线程控制，那么申请该互斥量的线程将成功获得该互斥量。如果互斥量已经被当前线程线程控制，则该互斥量的持有计数加 1，当前线程也不会挂起等待。

/**
参数：
1、mutex	互斥量对象的句柄
2、time 	指定的等待时间，单位是操作系统时钟节拍（OS Tick）
返回值：
RT_EOK 			成功获得互斥量
-RT_ETIMEOUT 	超时依然未获得互斥量
-RT_ERROR 		获取失败
 */
rt_err_t rt_mutex_take(rt_mutex_t mutex, rt_int32_t time)

3.2.4 释放互斥量

在获得互斥量后，应该尽可能的快释放互斥量。

/**
参数：
mutex 	互斥量对象的句
返回值：
RT_EOK 	成功
 */
rt_err_t rt_mutex_release(rt_mutex_t mutex)

3.5 示例（优先级继承）

互斥量做一个简单的示例，但是即便简单，也能体现出优先级继承这个机制。

示例中，我们使用两个按键，key2按键，按一次获取互斥量，再按一次释放互斥量，打印自己初始优先级，当前优先级，互斥量占有线程优先级这几个量。key3按键，按一次，获取互斥量，立马就释放，也打印几个优先级。

互斥量的创建，和两个线程的优先级：

key2操作：

key3操作：

测试结果说明图：

示例中为了更好的演示并没有快进快出，实际使用还是需要快进快出，除非你自己就是有这种特出需求。

还有一个细节，就是 RT-Thread 中对象的 名字，只能显示8个字符长度，长了会截断，并不影响使用。

四、事件集

事件集这部分与 FreeRTOS 基本一样。

事件集主要用于线程间的同步，它的特点是可以实现一对多，多对多的同步。即一个线程与多个事件的关系可设置为：其中任意一个事件唤醒线程，或几个事件都到达后才唤醒线程进行后续的处理；同样，事件也可以是多个线程同步多个事件。

RT-Thread 定义的事件集有以下特点：

• 事件只与线程相关，事件间相互独立：每个线程可拥有 32 个事件标志，采用一个 32 bit 无符号整型数进行记录，每一个 bit 代表一个事件；
• 事件仅用于同步，不提供数据传输功能；
• 事件无排队性，即多次向线程发送同一事件 (如果线程还未来得及读走)，其效果等同于只发送一次。

4.1 事件集控制块

#ifdef RT_USING_EVENT
/**
 * flag defintions in event
 * 逻辑与
 * 逻辑或
 * 清除标志位
 */
#define RT_EVENT_FLAG_AND               0x01            /**< logic and */
#define RT_EVENT_FLAG_OR                0x02            /**< logic or */
#define RT_EVENT_FLAG_CLEAR             0x04            /**< clear flag */

/*
 * event structure
 * set：事件集合，每一 bit 表示 1 个事件，bit 位的值可以标记某事件是否发生
 */
struct rt_event
{
    struct rt_ipc_object parent;                        /**< inherit from ipc_object */

    rt_uint32_t          set;                           /**< event set */
};
/* rt_event_t 是指向事件结构体的指针类型  */
typedef struct rt_event *rt_event_t;
#endif

4.2 事件集操作

4.2.1 创建和删除

先定义一个指向事件集结构体的指针变量，接收创建好的句柄。

创建事件集：

/**
参数的含义：
1、name 	事件集的名称
2、flag 	事件集的标志，它可以取如下数值： RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO理
返回值：
事件集创建成功,返回事件集的控制块指针
事件集创建失败,返回RT_BULL 
 */
rt_event_t rt_event_create(const char *name, rt_uint8_t flag)

flag 使用哪一个，解释和信号量一样，可参考信号量创建部分说明。

删除事件集：

/**
参数：
event	事件集对象的句柄
返回值：
RT_EOK 	成功
 */
rt_err_t rt_event_delete(rt_event_t event)

4.2.2 初始化和脱离

静态的方式，先定义一个事件集结构体，然后对他进行初始化。

初始化事件集：

/**
参数的含义：
1、event	事件集对象的句柄
2、name 	事件集的名称
3、flag 	事件集的标志，它可以取如下数值： RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO
返回值：
RT_EOK 	初始化成功
 */
rt_err_t rt_event_init(rt_event_t event, const char *name, rt_uint8_t flag)

脱离事件集：

/**
参数：
event	事件集对象的句柄
返回值：
RT_EOK 	成功
 */
rt_err_t rt_event_detach(rt_event_t event)

4.2.3 发送事件

发送事件函数可以发送事件集中的一个或多个事件。

/**
参数的含义：
1、event	事件集对象的句柄
2、set		发送的一个或多个事件的标志值
返回值：
RT_EOK 	成功
 */
rt_err_t rt_event_send(rt_event_t event, rt_uint32_t set)

4.2.4 接收事件

内核使用 32 位的无符号整数来标识事件集，它的每一位代表一个事件，因此一个事件集对象可同时等待接收 32 个事件，内核可以通过指定选择参数 “逻辑与” 或“逻辑或”来选择如何激活线程。

/**
参数的含义：
1、event		事件集对象的句柄
2、set			接收线程感的事件
3、option 		接收选项，可取的值为
#define RT_EVENT_FLAG_AND               0x01       逻辑与    
#define RT_EVENT_FLAG_OR                0x02       逻辑或    
#define RT_EVENT_FLAG_CLEAR             0x04     选择清除重置事件标志位       
4、timeout		指定超时时间
5、recved		指向接收到的事件，如果不在意，可以使用 NULL
返回值：
RT_EOK 			成功
-RT_ETIMEOUT 	超时
-RT_ERROR 		错误
 */
rt_err_t rt_event_recv(rt_event_t   event,
                       rt_uint32_t  set,
                       rt_uint8_t   option,
                       rt_int32_t   timeout,
                       rt_uint32_t *recved)

4.3 示例（逻辑与和逻辑或）

事件集通过示例可以很好的理解怎么使用，我们示例中，用按钮发送事件，其他线程接收事件，进行对应的处理。

按键操作：

线程逻辑或处理：

逻辑或测试结果：

线程逻辑与处理：

逻辑与测试结果：

结语

前面说过，RT-Thread 的这些机制与 FreeRTOS 大体上类似，如果对 FreeRTOS 这部分感兴趣的，可以看一下 FreeRTOS 这部分的博文:
FreeRTOS记录（七、FreeRTOS信号量、事件标志组、邮箱和消息队列、任务通知的关系）

本文虽然只是介绍了信号量、互斥量和事件集这几个比较简单的线程同步操作，但是最终完成了后发现内容还是很多的。

洋洋洒洒这么多字，最终看下来自己还是挺满意的，希望我把该表述的都表达清楚了，希望大家多多提意见，让博主能给大家带来更好的文章。

那么下一篇的 RT-Thread 记录，就要来说说与线程通讯 有关的 邮箱、消息队列和信号内容了。

谢谢！