RT-Thread快速入门-线程间同步之信号量

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线程同步是指多个线程通过某种特定的机制，来控制线程之间的先后执行顺序。

RT-Thread 提供了几种线程同步的方式：信号量（semaphore）、 互斥量（mutex）、和事件集（event）。本篇文章主要介绍信号量相关的内容。

信号量的工作机制

信号量是一种可以用来解决线程间同步问题的内核对象，线程通过获取和释放信号量，来达到同步的目的。

每个信号量对象都有一个信号量值和一个线程等待队列，信号量的值表示信号对象的实例数目或者资源数目；线程等待队列，由等待获取当前信号量的线程按照某种顺序排列而成。

当信号量值为零时，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，等待可用的信号量资源。

信号量控制块

信号量控制块是 RT-Thread 用于管理信号量的一个数据结构，信号量控制块的结构体 struct rt_semaphore 定义如下，rt_sem_t 表示信号量的句柄，即指向信号量控制块的指针。

struct rt_semaphore
{
    struct rt_ipc_object parent;   /* 继承自 ipc_object 类 */
    rt_uint16_t          value;    /* 信号量的值 */
    rt_uint16_t          reserved; /* 保留域 */
};
/* rt_sem_t 为指向 rt_semaphore 结构体的指针类型 */
typedef struct rt_semaphore *rt_sem_t;

struct rt_semaphore 从 rt_ipc_object 派生而来，由 IPC 容器管理，信号量的最大值为 65535。

结构体struct rt_ipc_object parent 定义如下：

struct rt_object
{
    char       name[RT_NAME_MAX]; /* 内核对象名称 */
    rt_uint8_t type;              /* 内核对象类型 */
    rt_uint8_t flag;              /* 内核对象的参数 */

#ifdef RT_USING_MODULE
    void      *module_id;  /* 应用程序模块 ID */
#endif
    rt_list_t  list;       /* 内核对象管理链表 */
};

struct rt_ipc_object
{
    struct rt_object parent;          /* 继承自 rt_object */
    rt_list_t        suspend_thread;  /* 挂起的线程链表 */
};

信号量控制块中含有信号量相关的重要参数，在信号量各种状态之间起到纽带的作用。

接下来看看如何对一个信号量进行操作。

管理信号量

RT-Thread 提供了一系列的函数接口，用于对信号量进行操作。包括：

• 创建/初始化信号量
• 获取信号量
• 释放信号量
• 删除/脱离信号量

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常用的信号量操作为：创建信号量、获取信号量、释放信号量。下面重点介绍这三种操作。

1. 创建信号量

RT-Thread 创建信号量两种方式：动态创建和静态初始化。

跟其他内核对象类似，动态创建是由内核负责分配信号量控制块，然后对其进行基本的初始化工作。静态方式创建，是由用户负责定义一个信号量控制块结构体变量，然后调用初始化函数对其进行初始化工作。

动态创建信号量的函数接口如下：

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，系统将先从对象管理器中分配一个 semaphore 对象，并初始化这个对象，然后初始化父类 IPC 对象以及与 semaphore 相关的部分。

该函数的各个参数解释如下：

参数	描述
name	信号量名称
value	信号量的初始值
flag	创建信号量的标志

信号量创建成功，则返回信号量控制块的指针。创建失败，则返回 RT_NULL。

参数 flag 的作用是，当信号量不可用时，多个线程等待的排队方式。这个参数取值有两种：

• RT_IPC_FLAG_FIFO，先进先出方式。等待信号量的线程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。
• RT_IPC_FLAG_PRIO，优先级等待方式。等待信号量的线程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。

静态方式创建信号量，需要先定义一个信号量控制块结构 struct rt_semaphore 类型的变量，然后使用如下函数对其进行初始化：

rt_err_t rt_sem_init(rt_sem_t    sem,
                     const char *name,
                     rt_uint32_t value,
                     rt_uint8_t  flag)

这个函数参数，除了 sem，其他参数跟动态创建信号量函数 rt_sem_create() 的参数相同。

参数 sem 为信号量控制块的指针，指向用户定义的 struct rt_semaphore 结构变量的地址。

rt_sem_init() 函数的主要作用是，对 sem 指向的信号量控制块进行初始化操作。

该函数的返回值为 RT_EOK。

2. 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会减 1。如果信号量的值为零，说明当前信号量资源不可用，线程会获取失败。

RT-Thread 中获取信号量的函数如下：

rt_err_t rt_sem_take (rt_sem_t sem, rt_int32_t time)

参数 sem 表示信号量控制块指针（信号量的句柄）。

参数 time 表示线程等待获取信号量的时间，单位是系统时钟节拍。

调用此函数获取信号量时，如果信号量的值为零，线程将根据 time 参数的情况会有不同的动作：

• 参数值为零，则函数会直接返回。
• 参数值不为零，则会等待设定的时间。
• 参数值为最大时钟节拍数，则会永久等待，直到其他线程或中断释放该信号量。

如果在参数 time 指定的时间内没有获取到信号量，线程将超时返回，返回值为 -RT_ETIMEOUT。

rt_sem_take() 函数返回 RT_EOK，表示成功获得信号量。返回 -RT_ERROR, 表示其他错误。

线程获取信号量不可以用时，且等待时间 time不为零，

3. 释放信号量

释放信号量的系统函数如下：

rt_err_t rt_sem_release(rt_sem_t sem)

参数 sem 表示信号量控制块指针（信号量的句柄）。

释放信号量操作，根据具体情况，会有两种结果：

• 如果有线程等待获取这个信号量时，释放信号量将唤醒等待队列中的第一个线程，由它获取信号量，信号量的值仍然为零。

• 如果没有线程等待获取信号量，则信号量的值将会加 1。

实战演练

绝知此事要躬行。

通过具体的实例，来看看如何使用 RT-Thread 的信号量操作函数。动态创建一个信号量，创建两个线程，一个线程释放信号量，一个线程获取信号量后，执行后续的动作。

#include 

#define THREAD_PRIORITY   25
#define THREAD_TIMESLICE  5

/* 指向信号量的指针 */
static rt_sem_t dynamic_sem = RT_NULL;

/* 线程1 入口函数 */
static void rt_thread1_entry(void *parameter)
{
	static rt_uint8_t count = 0;

	while(1)
	{
		if(count <= 100)
		{
			count++;
		}
		else
		{
			return;
		}
		/* count每计数 10 次， 就释放一次信号量 */
		if(0 == (count % 10))
		{
			rt_kprintf("thread1 release a dynamic semaphore.\n");
			rt_sem_release(dynamic_sem);
		}

		/* 延迟一会儿 */
		rt_thread_delay(10);
	}
}

/* 线程2 入口函数 */
static void rt_thread2_entry(void *parameter)
{
	static rt_err_t result;
	static rt_uint8_t number = 0;

	while(1)
	{
		/* 永久方式等待信号量， 获取到信号量，则执行 number 自加的操作 */
		result = rt_sem_take(dynamic_sem, RT_WAITING_FOREVER);
		if (result != RT_EOK)
		{
			rt_kprintf("thread2 take a dynamic semaphore, failed.\n");
			rt_sem_delete(dynamic_sem);
			return;
		}
		else
		{
			number++;
			rt_kprintf("thread2 take a dynamic semaphore. number = %d\n" ,number);
		}
		rt_thread_delay(10);		
	}
}

int main(void)
{
	/* 线程控制块指针 */
	rt_thread_t thread1 = RT_NULL;
	rt_thread_t thread2 = RT_NULL;

	/* 创建一个动态信号量，初始值是 0 */
	dynamic_sem = rt_sem_create("dsem", 0, RT_IPC_FLAG_FIFO);
	if (dynamic_sem == RT_NULL)
	{
		rt_kprintf("create dynamic semaphore failed.\n");
		return -1;
	}
	else
	{
		rt_kprintf("create done. dynamic semaphore value = 0.\n");
	}

	/* 动态创建线程1 */
	thread1 = rt_thread_create("thread1", rt_thread1_entry, RT_NULL,
					1024, THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
	
	if(thread1 != RT_NULL)
	{
		/* 启动线程 */
		rt_thread_startup(thread1);
	}

	/* 动态创建线程2 */
	thread2 = rt_thread_create("thread2", rt_thread2_entry, RT_NULL,
					1024, THREAD_PRIORITY-1, THREAD_TIMESLICE);
	if(thread2 != RT_NULL)
	{
		/* 启动线程 */
		rt_thread_startup(thread2);
	}

	return 0;
}

线程 1 在 count 计数为 10 的倍数时，释放一个信号量，线程 2 在接收到信号量后，对 number 进行加 1 操作。程序运行结果如下所示：

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信号量的几种应用

我们先来看看线程的应用场景。线程可以用来当作资源锁、资源计数、线程间同步、中断与线程同步等。

1. 线程同步

使用信号量进行两个线程之间的同步，信号量的值初始化成 0，表示具备 0 个信号量资源实例；而尝试获得该信号量的线程，将直接在这个信号量上进行等待。

当持有信号量的线程完成它处理的工作时，释放这个信号量，可以把等待在这个信号量上的线程唤醒，让它执行下一部分工作。

这类场合也可以看成把信号量用于工作完成标志：持有信号量的线程完成它自己的工作，然后通知等待该信号量的线程继续下一部分工作。

2. 中断与线程同步

信号量可以用于中断与线程间的同步。例如，一个中断触发后，中断服务程序通知线程进行相应的数据处理。

此时，可以设置信号量的初始值为 0，线程在获取这个信号量时，由于信号量资源不足，线程会挂起直到这个信号量被释放。

当中断触发时，完成某些操作后，释放信号量来唤醒挂起线程，去进行后续的处理。

3. 锁（二值信号量）

信号量在当作锁来使用时，通常将信号量资源个数初始化为 1，表示默认只有一个资源可用。由于信号量的值始终在 1 和 0 之间变化，所以这类信号量也称为二值信号量。

当某个线程访问共享资源时，获得这个信号量。其他线程想要访问这个资源会由于获取不到资源而挂起。这是因为此时这个信号量的值为 0，其他线程获取不到。

当获取信号量的线程处理完毕，释放信号量后，会唤醒挂起队列中的第一个线程而获得资源的访问权限。

4. 资源计数

信号量可以认为是一个递增或递减的计数器，用于记录共享资源可以用的个数。线程访问共享资源时，信号量递减；结束访问后，信号量递增。

需要注意的是信号量的值非负。

其他函数接口介绍

除了上述常用的信号量操作函数，RT-Thread 还提供了其他管理函数，在此简单介绍一下，可以作为了解。

1. 删除信号量

由动态方式创建的信号量，可以用如下函数进行删除：

rt_err_t rt_sem_delete(rt_sem_t sem)

调用这个函数时，系统会删除信号量。如果有线程正在等待该信号量，则会先唤醒这些线程，然后再释放信号量占用的内存资源。

2. 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脱离。适用于通过静态方式初始化的信号量。脱离信号量的函数接口如下：

rt_err_t rt_sem_detach(rt_sem_t sem)

调用该函数后，内核先唤醒所有挂在该信号量等待队列上的线程，然后将该信号从内核对象管理器中脱离。

3. 无等待获取信号量

上面介绍的获取信号量函数 rt_sem_take() 有个等待时间参数，RT-Thread 提供了一种无等待方式获取信号量的函数接口，不用设置等待超时，函数原型如下：

rt_err_t rt_sem_trytake(rt_sem_t sem)

调用此函数获取信号量时，若线程申请的信号量资源不可用，它不会等待该信号量，而是直接返回错误码 -RT_ETIMEOUT。

如果函数返回 RT_EOK，表示成功获取信号量。

OK，今天先到这，下次继续。加油~

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