十二、同步互斥与通信

1、概述

(1)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中的一个人。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。

(2)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(semaphone)、互斥量(mutex)等。

2、同步与互斥的概念

(1)一句话理解同步与互斥:我等你用完厕所,我在用厕所。
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,是因为它们之间的关系很大,“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。这就是用“同步”来实现“互斥”。

(2)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,同时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”。

(3)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”。

(4)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。

3、各类方法的对比

(1)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)。

(2)它们都有类似的操作方法:获取/释放、阻塞/唤醒、超时。比如:

  • A获取资源,用完后A释放资源。
  • A获取不到资源则阻塞,B释放资源并把A唤醒。
  • 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B释放资源而被唤醒。

(3)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?只能传状态?
  • 为众生?只为你?
  • 我生产,你们消费?
  • 我上锁,只能由我开锁。

(4)同步互斥方法介绍表

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、接收者无限制,

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,

谁都可以消耗一个数量

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,

必须指定接收者

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

(5)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来表示,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

十二、同步互斥与通信_第1张图片



 

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