嵌入式实时操作系统的设计与开发（信号量学习）

信号量

除了临界点机制、互斥量机制可实现临界资源的互斥访问外，信号量（Semaphore）是另一选择。

信号量与互斥量的区别

• 对于互斥量来说，主要应用于临界资源的互斥访问，并且能够有效地避免优先级反转问题。
• 对于信号量而言，它虽然也能用于临界资源的互斥访问，但是不能处理优先级反转问题。

也正因为信号量没有考虑优先级反转问题，所以相对于互斥量来说是一种轻量级的实现方式，比互斥量耗费更少的CPU资源。
此外，信号量除了用于互斥，还可以用于处理不同线程之间的同步问题，而互斥量却不行。

针对上述情况，有三种类型的信号量，按照功能来分，可以分为线程对临界资源互斥访问的互斥信号量、用于线程间同步的信号量、控制系统中临界资源的多个实例使用的计数信号量。

用于同步的信号量其初始值在创建信号量时设置为0，表示同步事件尚未发生。
临界资源互斥的信号量初始值为1，表明当前没有任务获取该信号量。
用于控制系统中临界资源的多个实例使用的计数信号量其初始值为n，表明需要管理的实例个数最大数为n，这样的信号量也称为计数信号量。

以下例子，通过一个计数信号量和互斥信号量实现对一个有界缓冲使用的控制，这就是“生产者与消费者”问题。

• 计数信号量FULL表示已经被填充了的数据项目。
• 计数信号量EMPTY表示空闲数据项数目。
  以上的取值范围均为（0,n-1）,其初始值分别为0，n-1。
  由于有界缓冲区是共享资源，还需要一个互斥信号量MUTEX控制生产者线程与消费者线程对它的互斥访问，其初始值为1。

创建信号量

acoral_evt_t *acoral_sem_create(unsigned int semNum)
{
	acoral_evt_t *evt;
	evt = acoral_alloc_evt();
	if (NULL == evt)
	{
		return NULL;
	}
	semNum = 1 - semNum;
	evt->count = semNum;
	evt->type = ACORAL_EVENT_SEM;
	evt->data = NULL;
	acoral_evt_init(evt);
	return evt;
}

初始化信号量。当静态定义信号量而不是采用指针形式定义时，内存空间已经在定义时分配，此时应当调用初始化函数acoral_sem_init()对定义过的信号量进行初始化。

aCoralSemRetValEnum acoral_sem_init(acoral_evt_t *evt,unsigned int semNum)
{
	if(NULL == evt)
	{
		return SEM_ERR_NULL;
	}
	semNum = 1 - semNum;
	evt->count = semNum;
	evt->type = ACORAL_EVENT_SEM;
	evt->data = NULL;
	acoral_evt_init(evt);
	return SEM_SUCCED;
}

与互斥量初始化类似，就是为acoral_evt_t各个成员赋值。
这里需要提及的是count初始化，从传入的参数semNum可知，该变量用来表示当前信号量所控制的临界资源的实例的数量，但在具体实现时，并不是和大家想象的数字一样，如1代表有1个资源，2代表有2个资源…
在实现时，实例数量是用“1-semNum”来表示的，此时0代表有1个资源，-1代表有两个资源，1代表已经没有资源，且有1个线程在等待该资源实例。

申请信号量。申请信号量时需要传入两个参数：先前创建的信号量的地址，超时处理的时间。

acoralSemRetValEnum acoral_sem_pend(acoral_evt_t *evt, unsigned int timeout)
{
	acoral_thread_t *cur = acoral_cur_thread;
	if(acoral_intr_nesting)
	{
		return SEM_ERR_INTR;
	}
	if(NULL == evt)
	{
		return SEM_ERR_NULL;
	}
	if(ACORAL_EVENT_SEM != evt->type)
	{
		return SEM_ERR_TYPE;
	}

	//计算信号量处理
	acoral_enter_critical();
	/*判断是否还有可用资源，从前面的介绍可知，这里的SEM_RES_AVAI其实就是0，如果count数目小于等于0，代表有资源实例。如果count大于0，代表在等待的有多少个线程。如果有可用的资源实例，让count的数目加一后退出，表示成功申请信号量。*/
	if((char)evt->count <= SEM_RES_AVAI)
	{
		evt->count++;
		acoral_exit_critical();
		return SEM_SUCCED;
	}
	//如果无可用的资源实例，让count的数目加一后，再将自身挂起，重新调度线程
	evt->count++;
	acoral_unrdy_thread(cur);
	if(timeout > 0)
	{
		cur->delay = TIME_TO_TICKS(timeout);
		timeout_queue_add(cur);
	}
	acoral_evt_queue_add(evt, cur);
	acoral_exit_critical();
	acoral_sched();
	acoral_enter_critical();

	//如果某个线程等待某个资源实例而又无法获取，它将被挂起，而若它希望被挂起的时间小于一个设定值timeout，还需将TCB的成员更新为timeout，并挂载到延迟队列中，如果延迟时间到，将进行相应处理
	if(timeout > 0 && cur->Delay <= 0)
	{
		evt->count--;
		acoral_evt_queue_Del(cur);
		acoral_exit_critical();
		return SEM_ERR_TIMEOUT;
	}
	timeout_queue_del(cur);
	acoral_exit_critical();
	return SEM_SUCCED;
}

释放信号量

acoralSemRetValEnum acoral_sem_post(acoral_evt_t *evt)
{
	acoral_thread_t *thread;

	/* 参数检测*/
	if (NULL == evt)
	{
		return SEM_ERR_NULL; /* error*/
	}
	if (ACORAL_EVENT_SEM != evt->type)
	{
		return SEM_ERR_TYPE;
	}

	acoral_enter_critical();
	if((char)evt->count <= SEM_RES_NOVAI)
	{
		evt->count--;
		acoral_exit_critical();
		return SEM_SUCCED;
	}
	evt->count--;
	thread = acoral_evt_high_thread(evt);
	if(thread == NULL)
	{
		acoral_print("Err Sem post\n");
		acoral_Exit_critical();
		return SEM_ERR_UNDEF;
	}
	timeout_queue_del(thread);
	acoral_evt_queue_del(thread);
	acoral_rdy_thread(thread);
	acoral_exit_critical();
	acoral_sched();
	return SEM_SUCCED;
}

同步机制

信号量机制不仅可以实现临界资源互斥访问，控制系统中临界资源多个实例的使用，还可以用于维护线程之间、线程和中断之间的同步。

当信号量用来实现同步时，其初始值为0，如一个线程正等待某个I/O操作，当该I/O操作完成后，中断服务程序发出信号量，该线程得到信号量后才能继续往下执行。
某个线程将一直处于等待状态，除非获取了其它线程发给它的信号量。

用于互斥的信号量初始值在创建时设置为1，此时1-semNum=0，是小于等于0的，表明当前没有线程获取该信号量。
而用于同步的信号量初始值在信号量创建时设置为0，此时1-semNum=1，是大于1的，表明同步尚未发生。

同步信号量的实现和互斥信号量是一样的，只是创建时传入的参数决定了是用于同步还是用于互斥。