RT-Thread 线程间同步 信号量

线程间同步

在多线程实时系统中，一项工作的完成往往可以通过多个线程协调的方式共同来完成。

例如一项工作中的两个线程：一个线程从传感器中接收数据并且将数据写到共享内存中，同时另一个线程周期性地从共享内存中读取数据并发送出去显示，下面描述了两个线程间的数据传递：

如果对共享内存的访问不是排他性的，那么各个线程间可能同时访问它，这将引起数据一致性的问题。
例如，在显示线程试图显示数据之前，接收线程还未完成数据的写入，那么显示将包含不同时间采样的数据，造成显示数据的错乱。

将传感器数据写入到共享内存块的接收线程 #1 和将传感器数据从共享内存块中读出的线程 #2 都会访问同一块内存。
为了防止出现数据的差错，两个线程访问的动作必须是互斥进行的，应该是在一个线程对共享内存块操作完成后，才允许另一个线程去操作。
这样，接收线程 #1 与显示线程 #2 才能正常配合，使此项工作正确地执行。

同步是指按预定的先后次序进行运行，线程同步时指多个线程通过特定的机制（如互斥量，事件对象，临界区）来控制线程之间的执行顺序，也可以说是在线程之间通过同步建立起执行顺序的关系，如果没有同步，那线程之间将是无序的。

多个线程操作/访问同一块区域（代码），这种代码就称为临界区，上述例子中的共享内存块就是临界区。
线程互斥是指对于临界区资源访问的排它性。当多个线程都要使用临界区资源时，任何时刻最多只允许一个线程去使用，其它要使用该资源的线程必须等待，直到占用资源者释放该资源。线程互斥可以看成是一种特殊的线程同步。

线程同步的方式有很多种，其核心思想都是：在访问临界区的时候只允许一个（或一类）线程运行。
进入/退出临界区的方式有很多种：

1. 调用rt_hw_interrupt_disable()进入临界区，调用rt_hw_interrupt_enable()退出临界区。
2. 调用rt_enter_critical()进入临界区，调用rt_exit_critical()退出临界区。

信号量

以生活中的停车场为例来理解信号量的概念：

①当停车场空的时候，停车场的管理员发现有很多空车位，此时会让外面的车陆续进入停车场获得停车位；

②当停车场的车位满的时候，管理员发现已经没有空车位，将禁止外面的车进入停车场，车辆在外排队等候；

③当停车场内有车离开时，管理员发现有空的车位让出，允许外面的车进入停车场；待空车位填满后，又禁止外部车辆进入。

在此例子中，管理员就相当于信号量，管理用手中空车位的个数就是信号量的值（非负数，动态变化）；停车位相当于公共资源（临界区），车辆相当于线程。车辆通过获得管理员的允许取得停车位，就类似于线程通过信号量访问公共资源。

信号量工作机制

信号量是一种轻型的用于解决线程间同步问题的内核对象，线程可以获取或释放它，从而达到同步或互斥的目的。

信号量工作示意图如下图所示，每个信号量对象都有一个信号量值和一个线程等待队列，信号量的值对应了信号量对象的实例数目、资源数目，假如信号量值为5，则表示共有5个信号量实例可以被使用，当信号量实例数目为零时，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，等待可用的信号量实例（资源）。

信号量控制块

在RT-Thread中，信号量控制块是操作系统用于管理信号量的一个数据结构，由结构体strcut re_semaphore表示。
另外一种C表达方式rt_sem_t，表示的是信号量的句柄，在C语言中的实现是指向信号量控制块的指针。

struct rt_semaphore
{
	struct rt_ipc_object parent;
	rt_uint16_t value;
};
typedef struct rt_semaphore* rt_sem_t;

rt_semaphore对象从rt_ipc_object中派生，由IPC容器所管理，信号量的最大值是65535。

创建和删除信号量

当创建一个信号量时，内核首先创建一个信号量控制块，然后对该控制块进行基本的初始化工作，创建信号量使用下面的函数接口：

 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。

在创建信号量指定的参数中，信号量标志参数决定了当信号量不可用时，多个线程等待的排队方式。当选择 RT_IPC_FLAG_FIFO（先进先出）方式时，那么等待线程队列将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；当选择 RT_IPC_FLAG_PRIO（优先级等待）方式时，等待线程队列将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。

注：RT_IPC_FLAG_FIFO 属于非实时调度方式，除非应用程序非常在意先来后到，并且你清楚地明白所有涉及到该信号量的线程都将会变为非实时线程，方可使用 RT_IPC_FLAG_FIFO，否则建议采用 RT_IPC_FLAG_PRIO，即确保线程的实时性。

如果删除该信号量时，有线程正在等待该信号量，那么删除操作会先唤醒等待在该信号量上的线程（等待线程的返回值是-RT_ERROR），然后再释放信号量的内存资源。

信号量的使用场合

信号量是一种非常灵活的同步方式，可以运用在多种场合中。形成锁、同步、资源计数等关系，也能方便的用于线程与线程、中断与线程间的同步中。

线程同步
线程同步是信号量最简单的一类应用。例如，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；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。

中断与线程的同步
信号量也能够方便地应用于中断与线程间的同步，例如一个中断触发，中断服务例程需要通知线程仅相应的数据处理。
这个时候可以设置信号量的初始值是 0，线程在试图持有这个信号量时，由于信号量的初始值是 0，线程直接在这个信号量上挂起直到信号量被释放。当中断触发时，先进行与硬件相关的动作，例如从硬件的 I/O 口中读取相应的数据，并确认中断以清除中断源，而后释放一个信号量来唤醒相应的线程以做后续的数据处理。例如 FinSH 线程的处理方式，如下图所示。

信号量的值初始为 0，当 FinSH 线程试图取得信号量时，因为信号量值是 0，所以它会被挂起。当 console 设备有数据输入时，产生中断，从而进入中断服务例程。在中断服务例程中，它会读取 console 设备的数据，并把读得的数据放入 UART buffer 中进行缓冲，而后释放信号量，释放信号量的操作将唤醒 shell 线程。在中断服务例程运行完毕后，如果系统中没有比 shell 线程优先级更高的就绪线程存在时，shell 线程将持有信号量并运行，从 UART buffer 缓冲区中获取输入的数据。

资源计数

信号量也可以认为是一个递增或递减的计数器，需要注意的是信号量的值非负。
例如：初始化一个信号量的值为 5，则这个信号量可最大连续减少 5 次，直到计数器减为 0。

资源计数适合于线程间工作处理速度不匹配的场合，这个时候信号量可以作为前一线程工作完成个数的计数，而后调度到后一线程时，它也可以以一种连续的方式一次处理多个事件。
例如，生产者与消费者问题中，生产者可以对信号量进行多次释放，而后消费者被调度到时能够一次处理多个信号量资源。