十六、互斥量

        互斥量的目的就是为了实现互斥访问。

1、概述

(1)举例说明：

        怎么独享厕所？自己开门上锁，完事了自己开锁。
        你当然可以进去后，让别人帮你把门：但是，命运就掌握在别人手上了。                           

(2)使用队列、信号量，都可以实现互斥访问，以信号量为例：

• 信号量初始值为1。
• 任务A想上厕所，"take"信号量成功，它进入厕所。
• 任务B也想上厕所，"take"信号量不成功，等待。
• 任务A用完厕所，"give"信号量；轮到任务B使用。

(3)使用信号量实现互斥访问，这需要有2个前提：

• 任务B很老实，不撬门(一开始不"give"信号量)。
• 没有坏人：别的任务不会"give"信号量。

(4)综上，可以看到，使用信号量确实也可以实现互斥访问，但是不完美。使用互斥量可以解决这个问题，互斥量的名字取得很好：

• 量：值为0、1。
• 互斥：用来实现互斥访问。

(5)互斥量的核心在于：谁上锁，就只能由谁开锁。很奇怪的是，FreeRTOS的互斥锁，并没有在代码上实现这点：

• 即使任务A获得了互斥锁，任务B竟然也可以释放互斥锁。
• 谁上锁、谁释放：只是约定。

2、互斥量的使用场合

        在多任务系统中，任务A正在使用某个资源，还没用完的情况下任务B也来使用的话，就可能导致问题。比如对于串口，任务A正使用它来打印，在打印过程中任务B也来打印，客户看到的结果就是A、B的信息混杂在一起。这种需要使用互斥访问的场合如下：

(1)访问外设：刚举的串口例子。

(2)读、修改、写操作导致的问题。                                                                                           

        对于同一个变量，  比如 int a ，如果有两个任务同时写它就有可能导致问题。对于变量的修改，C代码只有一条语句，比如： a=a+8; ，它的内部实现分为3步：读出原值、修改、写入。

        我们想让任务A、B都执行add_a函数，a的最终结果是 1+8+8=17 。假设任务A运行完代码①，在执行代码②之前被任务B抢占了：现在任务A的R0等于1。任务B执行完add_a函数，a等于9。任务A继续运行，在代码②处R0仍然是被抢占前的数值1，执行完②③的代码，a等于9，这跟预期的17不符合。

(3)对变量的非原子化访问。

        修改变量、设置结构体、在16位的机器上写32位的变量，这些操作都是非原子的。也就是它们的操作过程都可能被打断，如果被打断的过程有其他任务来操作这些变量，就可能导致冲突。

(4)函数重入

        “可重入的函数”是指：多个任务同时调用它、任务和中断同时调用它，函数的运行也是安全的。可重入的函数也被称为"线程安全"(thread safe)。每个任务都维持自己的栈、自己的CPU寄存器，如果一个函数只使用局部变量，那么它就是线程安全的。函数中一旦使用了全局变量、静态变量、其他外设，它就不是"可重入的"，如果该函数正在被调用，就必须阻止其他任务、中断再次调用它。

(5)上述问题的解决方法是：任务A访问这些全局变量、函数代码时，独占它，就是上个锁。这些全局变量、函数代码必须被独占地使用，它们被称为临界资源。

(6)互斥量也被称为互斥锁，使用过程如下：

• 互斥量初始值为1
• 任务A想访问临界资源，先获得并占有互斥量，然后开始访问
• 任务B也想访问临界资源，也要先获得互斥量：被别人占有了，于是阻塞
• 任务A使用完毕，释放互斥量；任务B被唤醒、得到并占有互斥量，然后开始访问临界资源
• 任务B使用完毕，释放互斥量

(7)正常来说：在任务A占有互斥量的过程中，任务B、任务C等等，都无法释放互斥量。但是FreeRTOS未实现这点：任务A占有互斥量的情况下，任务B也可释放互斥量。

3、互斥量函数

3.1、创建

(1)互斥量是一种特殊的二进制信号量。

(2)使用互斥量时，先创建、然后去获取、释放它。使用句柄来表示一个互斥量。

(3)创建互斥量的函数有2种：动态分配内存，静态分配内存，函数原型如下：

/* 创建一个互斥量，返回它的句柄。
 * 此函数内部会分配互斥量结构体
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex( void );

/* 创建一个互斥量，返回它的句柄。
 * 此函数无需动态分配内存，所以需要先有一个StaticSemaphore_t结构体，并传入它的指针
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutexStatic( StaticSemaphore_t *pxMutexBuffer );

(4)要想使用互斥量，需要在配置文件FreeRTOSConfig.h种定义：

#define configUSE_MUTEXES 1

3.2、其他

(1)需要注意的是，互斥量不能再ISR种使用。各类操作函数，比如删除、give/take，跟信号量一般是一样的。

(2)函数原型

/*
 * xSemaphore: 信号量句柄，你要删除哪个信号量, 互斥量也是一种信号量
 */
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

/* 释放 */
BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

/* 释放(ISR版本) */
BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR
( 
                SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);


/* 获得 */
BaseType_t xSemaphoreTake
(
                SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                TickType_t xTicksToWait
);

/* 获得(ISR版本) */
xSemaphoreGiveFromISR
(
                SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);

4、互斥量与二进制信号量相比

(1)互斥量与二进制信号量相比，能解决优先级反转的问题和递归上锁/解锁的问题。

(2)互斥量、二进制信号量的异同：

• 互斥量有优先级继承功能
• Give/Take函数完全一样
• 二进制信号量的初始值是0
• 互斥量的初始值是1

4.1、优先级反转

(1)假设存在A、B、C三个任务，一个二进制信号量；A的优先级为1，B的优先级为2、C的优先级为3；A和C任务的执行都需要信号量。

(2)一开始，B和C任务处在阻塞状态，A任务先执行并获得信号量，这时B任务被唤醒，抢占CPU资源。

(3)B任务开始执行，等到C任务被唤醒。

(4)C任务执行，获取信号量失败，进入阻塞态，B任务继续执行。

(5)这时由于等不到A释放信号量，高优先级的任务C反而得不到执行，低优先级的任务B在执行。这便是优先级反转。

(6)解决方法法是通过互斥量的优先级继承。把二进制信号量改为互斥量，任务C在获取互斥量失败时，把已获得互斥量的任务A的优先级提高为3。任务A执行完释放互斥量后，在恢复优先级为1。

(7)互斥锁内部就实现了优先级的提升、恢复，互斥锁的优先级继承，可以减少“优先级反转”影响。

4.2、递归上锁/解锁

(1)假设存在任务A，一个互斥量，一个函数Func；任务A和函数Func都需要使用互斥量。

(2)任务A执行并获得互斥量，然后调用函数Func，这是函数Func又去获取互斥量，便会失败。

(3)解决方法是采用递归互斥量。

5、递归锁

5.1、死锁的概念

(1)日常生活的死锁：我们只招有工作经验的人！我没有工作经验怎么办？那你就去找工作啊！

(2)假设有2个互斥量M1、M2，2个任务A、B:

• A获得了互斥量M1
• B获得了互斥量M2
• A还要获得互斥量M2才能运行，结果A阻塞
• B还要获得互斥量M1才能运行，结果B阻塞
• A、B都阻塞，再无法释放它们持有的互斥量
• 死锁发生!

5.2、自我死锁

(1)假设这样的场景：

• 任务A获得了互斥锁M
• 它调用一个库函数
• 库函数要去获取同一个互斥锁M，于是它阻塞：任务A休眠，等待任务A来释放互斥锁！
• 死锁发生！

5.3、函数

(1)怎么解决死锁这类问题呢？可以使用递归锁(Recursive Mutexes)，它的特性如下：

• 任务A获得递归锁M后，它还可以多次去获得这个锁
• "take"了N次，要"give"N次，这个锁才会被释放

(2)递归锁的函数根一般互斥量的函数名不一样，参数类型一样，列表如下：

	递归锁	一般互斥量
创建	xSemaphoreCreateRecursiveMutex	xSemaphoreCreateMutex
获得	xSemaphoreTakeRecursive	xSemaphoreTake
释放	xSemaphoreGiveRecursive	xSemaphoreGive

(3)函数原型如下：

/* 创建一个递归锁，返回它的句柄。
 * 此函数内部会分配互斥量结构体
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateRecursiveMutex( void );

/* 释放 */
BaseType_t xSemaphoreGiveRecursive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

/* 获得 */
BaseType_t xSemaphoreTakeRecursive(
                SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                TickType_t xTicksToWait
);

5.4、注意点

(1)递归锁在代码上实现了：

• 谁持有递归锁，必须由谁释放。
• 递归上锁/解锁。

(2)使用递归锁，需要定义配置项：

        FreeRTOS为了减少程序的体积，使用某些功能，必须先配置。

#define    configUSE_RECURSIVE_MUTEXES    1