第10章_freeRTOS入门与工程实践之同步互斥与通信
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第10章 同步互斥与通信
本章是概述性的内容。可以把多任务系统当做一个团队，里面的每一个任务就相当于团队里的一个人。团队成员之间要协调工作进度(同步)、争用会议室(互斥)、沟通(通信)。多任务系统中所涉及的概念，都可以在现实生活中找到例子。
各类RTOS都会涉及这些概念：任务通知(task notification)、队列(queue)、事件组(event group)、信号量(semaphoe)、互斥量(mutex)等。我们先站在更高角度来讲解这些概念。
10.1 同步与互斥的概念
一句话理解同步与互斥：我等你用完厕所，我再用厕所。
什么叫同步？就是：哎哎哎，我正在用厕所，你等会。
什么叫互斥？就是：哎哎哎，我正在用厕所，你不能进来。
同步与互斥经常放在一起讲，是因为它们之的关系很大，“互斥”操作可以使用“同步”来实现。我“等”你用完厕所，我再用厕所。这不就是用“同步”来实现“互斥”吗？
再举一个例子。在团队活动里，同事A先写完报表，经理B才能拿去向领导汇报。经理B必须等同事A完成报表，AB之间有依赖，B必须放慢脚步，被称为同步。在团队活动中，同事A已经使用会议室了，经理B也想使用，即使经理B是领导，他也得等着，这就叫互斥。经理B跟同事A说：你用完会议室就提醒我。这就是使用"同步"来实现"互斥"。
有时候看代码更容易理解，伪代码如下：
void 抢厕所(void)
{
if (有人在用) 我眯一会;
用厕所;
喂，醒醒，有人要用厕所吗;
}
假设有A、B两人早起抢厕所，A先行一步占用了；B慢了一步，于是就眯一会；当A用完后叫醒B，B也就愉快地上厕所了。
在这个过程中，A、B是互斥地访问“厕所”，“厕所”被称之为临界资源。我们使用了“休眠-唤醒”的同步机制实现了“临界资源”的“互斥访问”。
同一时间只能有一个人使用的资源，被称为临界资源。比如任务A、B都要使用串口来打印，串口就是临界资源。如果A、B同时使用串口，那么打印出来的信息就是A、B混杂，无法分辨。所以使用串口时，应该是这样：A用完，B再用；B用完，A再用。
10.2 同步与互斥并不简单
在裸机程序里，可以使用一个全局变量或静态变量实现互斥操作，比如要互斥地使用LCD，可以使用如下代码：
int LCD_PrintString(int x, int y, char *str)
{
static int bCanUse = 1;
if (bCanUse)
{
bCanUse = 0;
/* 使用LCD */
bCanUse = 1;
return 0;
}
return -1;
}
但是在RTOS里，使用上述代码实现互斥操作时，大概率是没问题的，但是无法确保万无一失。
假设如下场景：有两个任务A、B都想调用LCD_PrintString，任务A执行到第4行代码时发现bCanUse为1，可以进入if语句块，它还没执行第6句指令就被切换出去了；然后任务B也调用LCD_PrintString，任务B执行到第4行代码时也发现bCanUse为1，也可以进入if语句块使用LCD。在这种情况下，使用静态变量并不能实现互斥操作。
上述例子中，是因为第4、第6两条指令被打断了，那么如下改进：在函数入口处先然让bCanUse减一。这能否实现万无一失的互斥操作呢？
int LCD_PrintString(int x, int y, char *str)
{
static int bCanUse = 1;
bCanUse--;
if (bCanUse == 0)
{
/* 使用LCD */
bCanUse++;
return 0;
}
else
{
bCanUse++;
return -1;
}
}
把第4行的代码使用汇编指令表示如下：
04.1 LDR R0, [bCanUse] // 读取bCanUse的值，存入寄存器R0
04.2 DEC R0, #1 // 把R0的值减一
04.3 STR R0, [bCanUse] // 把R0写入变量bCanUse
假设如下场景：有两个任务A、B都想调用LCD_PrintString，任务A执行到第04.1行代码时读到的bCanUse为1，存入寄存器R0就被切换出去了；然后任务B也调用LCD_PrintString，任务B执行到第4行时发现bCanUse为1并把它减为0，执行到第5行代码时发现条件成立可以进入if语句块使用LCD，然后任务B也被切换出去了；现在任务A继续运行第04.2行代码时R0为1，运行到第04.3行代码时把bCanUse设置为0，后续也能成功进入if的语句块。在这种情况下，任务A、B都能使用LCD。
上述方法不能保证万无一失的原因在于：在判断过程中，被打断了。如果能保证这个过程不被打断，就可以了：通过关闭中断来实现。
示例1的代码改进如下：在第5~7行前关闭中断。
int LCD_PrintString(int x, int y, char *str)
{
static int bCanUse = 1;
disable_irq();
if (bCanUse)
{
bCanUse = 0;
enable_irq();
/* 使用LCD */
bCanUse = 1;
return 0;
}
enable_irq();
return -1;
}
示例2的代码改进如下：在第5行前关闭中断。
int LCD_PrintString(int x, int y, char *str)
{
static int bCanUse = 1;
disable_irq();
bCanUse--;
enable_irq();
if (bCanUse == 0)
{
/* 使用LCD */
bCanUse++;
return 0;
}
else
{
disable_irq();
bCanUse++;
enable_irq();
return -1;
}
}
10.3 各类方法的对比
能实现同步、互斥的内核方法有：任务通知(task notification)、队列(queue)、事件组(event group)、信号量(semaphoe)、互斥量(mutex)。
它们都有类似的操作方法：获取/释放、阻塞/唤醒、超时。比如：
- 任务A获取资源，用完后任务A释放资源
- 任务A获取不到资源则阻塞，任务B释放资源并把任务A唤醒
- 任务A获取不到资源则阻塞，并定个闹钟；A要么超时返回，要么在这段时间内因为任务B释放资源而被唤醒。
这些内核对象五花八门，记不住怎么办？我也记不住，通过对比的方法来区分它们。
- 能否传信息？还是只能传递状态？
- 为众生（所有任务都可以使用）？只为你（只能指定任务使用）？
- 我生产，你们消费？
- 我上锁，只能由我开锁
| 内核对象 | 生产者 | 消费者 | 数据/状态 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 队列 | ALL | ALL | 数据：若干个数据 谁都可以往队列里扔数据， 谁都可以从队列里读数据 | 用来传递数据， 发送者、接收者无限制， 一个数据只能唤醒一个接收者 |
| 事件组 | ALL | ALL | 多个位：或、与 谁都可以设置(生产)多个位， 谁都可以等待某个位、若干个位 | 用来传递事件， 可以是N个事件， 发送者、接受者无限制， 可以唤醒多个接收者：像广播 |
| 信号量 | ALL | ALL | 数量：0~n 谁都可以增加一个数量， 谁都可消耗一个数量 | 用来维持资源的个数， 生产者、消费者无限制， 1个资源只能唤醒1个接收者 |
| 任务通知 | ALL | 只有我 | 数据、状态都可以传输， 使用任务通知时， 必须指定接受者 | N对1的关系： 发送者无限制， 接收者只能是这个任务 |
| 互斥量 | 只能A开锁 | A上锁 | 位：0、1 我上锁：1变为0， 只能由我开锁：0变为1 | 就像一个空厕所， 谁使用谁上锁， 也只能由他开锁 |
使用图形对比如下：
-
队列：
- 里面可以放任意数据，可以放多个数据
- 任务、ISR都可以放入数据；任务、ISR都可以从中读出数据
-
事件组：
- 一个事件用一bit表示，1表示事件发生了，0表示事件没发生
- 可以用来表示事件、事件的组合发生了，不能传递数据
- 有广播效果：事件或事件的组合发生了，等待它的多个任务都会被唤醒
-
信号量：
- 核心是"计数值"
- 任务、ISR释放信号量时让计数值加1
- 任务、ISR获得信号量时，让计数值减1
-
任务通知：
- 核心是任务的TCB里的数值
- 会被覆盖
- 发通知给谁？必须指定接收任务
- 只能由接收任务本身获取该通知
-
互斥量：
- 数值只有0或1
- 谁获得互斥量，就必须由谁释放同一个互斥量
