【RT-Thread】信号和信号量

rtthread - 信号和信号量学习笔记

目录

概述

信号

工作机制

信号函数

安装

屏蔽/使能

发送信号

等待信号

信号量

工作机制

 信号量函数

创建/初始化

删除/脱离

获取/释放

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概述

信号和信号量，没有任何关系。

信号的本质是软中断，是线程层面对中断机制的一种模拟：

• 线程平时执行自己的函数
• 别的线程或者中断服务程序给线程发信号
• 线程当前的执行被打断，线程转而去执行信号处理函数，执行完信号处理

函数后再继续运行之前的代码

如果想要使用信号，需要在 rtconfig.h 中定义 #define RT_USING_SIGNALS

而信号量就像队列、邮箱一样，是用来传递信息的：

• 队列：传递各类大小的数据
• 邮箱：传递多个 32 位的数据
• 信号量：传递 1 个数值

消息队列、邮箱用于传输多个数据，但是有时候我们只需要传递状态，这个状态值需

要用一个数值表示，比如：

• 卖家：做好了 1 个包子，包子数量加 1
• 买家：买了 1 个包子，包子数量减 1
• 这个停车位我占了，停车位减 1
• 我开车走了，停车位加 1

在这种情况下我们只需要维护一个数值，使用信号量效率更高、更节省内存

信号

工作机制

信号的发送者、接收者都是线程：线程发信号给线程，尚不支持中断发信号给线程。

线程对收到的信号，有三类处理方式：

• 第一类：类似中断处理程序，对于需要处理的信号，线程可以指定处理函
• 数，由该函数处理
• 第二类：忽略某个信号，对该信号不处理
• 第三类：对该信号的处理，使用系统的默认方式
• 怎么使用这些处理方式？就是给信号安装处理函数：

rt_signal_install(SIGUSR1, my_signal_handler); /* 给信号 SIGUSR1 安装我们自己的处理函数 */
rt_signal_install(SIGUSR1, SIG_IGN); /* 不处理信号 SIGUSR1 */
rt_signal_install(SIGUSR1, SIG_DFL); /* 给信号 SIGUSR1 安装默认的处理函数,只是打印 */

假设有两个线程，线程 1 接收信号，线程 2 发送信号，用法如下：

• 线程 1 先安装信号并设置对信号的处理方式，然后解除阻塞

/* 安装信号,自定义处理函数 */
rt_signal_install(SIGUSR1, my_signal_handler);
/* 解除阻塞 */
rt_signal_unmask(SIGUSR1);

• 线程 2 发送信号，触发线程 1 进行处理

 rt_thread_kill(thread1, SIGUSR1); //向线程 1 发送信号 SIGUSR1

• 线程 1 如果在挂起状态收到信号

1. 线程 1 被唤醒
2. 线程 1 先调用信号处理函数
3. 再继续运行之前的代码

• 线程 1 如果在就绪状态收到信号

1. 线程 1 再次运行时，先调用信号处理函数
2. 再继续运行之前的代码

• 线程 2 给自己发信号： rt_thread_kill(thread2, SIGUSR1)

1. 在 rt_thread_kill()函数内部直接调用信号处理函数

信号函数

安装

如果线程需要处理某一个信号，就需要现在线程中安装该信号。

安装信号的函数原型如下：

/* 安装一个信号，返回安装结果。
* 此函数有两个参数，分别为信号值和信号值的处理方法
* signo：信号值(SIGUSR1 或 SIGUSR2)
* handler：处理方式(SIG_IGN、SIG_DFL、自定义处理函数)
* 返回值: 成功返回 handler 值，错误返回 SIG_ERR
*/
rt_sighandler_t rt_signal_install(int signo, rt_sighandler_t handler);

第 2 个参数可以传入我们提供的函数，也可以：

• 传入 SIG_DFL，即使用系统的默认方式，系统会调用默认的处理函数 _signal_default_handler()，它只是打印
• 传入 SIG_IGN，就是忽略：接收到信号后不做任何处理

屏蔽/使能

如果屏蔽该信号，就该信号不会传达给安装该信号的线程。

屏蔽信号的函数原型如下：

void rt_signal_mask(int signo);

线程中可以安装好几个信号，根据需求选择使能部分信号，则这部分信号才能传达给该线程

接触屏蔽，即使能信号的函数原型如下：

void rt_signal_unmask(int signo);

发送信号

当需要某线程进行异常处理时，如果该线程安装了某信号，则使用 rt_thread_kill() 发送信号

发送信号的函数原型如下：

/* 发送信号。
* tid：接收信号的线程
* sig：信号值
* 返回值: 成功返回 RT_EOK，错误返回-RT_EINVAL
*/
int rt_thread_kill(rt_thread_t tid, int sig);

等待信号

一个线程可以等待别的线程给它发信号，函数原型如下：

/*等待信号
* set ： 输入参数：想等待哪个信号，注意它是一个指针，*set 等于信号的编号
* si ：输出参数：用来保存等到的信号的信息
* timeout ：指定的等待时间   
* 返回 : RT_EOK 等到信号
*        RT_ETIMEOUT 超时    
*        RT_EINVAL 参数错误
*/
int rt_signal_wait(const rt_sigset_t *set, rt_siginfo_t *si, rt_int32_t timeout);

信号量

工作机制

信号量这个名字很恰当：

• 信号：起通知作用
• 量：用来表示资源的数量
• 支持的动作："give"给出资源，计数值加 1；"take"获得资源，计数值减 1

信号量的典型场景是：

• 计数：生产者"give"信号量，让计数值加 1；消费者先"take"信号量，就是获得信号量，让计数值减 1。
• 资源管理：要想访问资源需要先"take"信号量，让计数值减 1；用完资源后"give"信号量，让计数值加 1。

信号量的 "give" 、 "take" 双方并不需要相同，可以用于生产者 - 消费者场合：

• 生产者为线程 A、B，消费者为线程 C、D
• 一开始信号量的计数值为 0，如果线程 C、D 想获得信号量，会有两种结果：

1. 阻塞：买不到东西咱就等等吧，可以定个闹钟(超时时间)
2. 即刻返回失败：不等

• 线程 A、B 可以生产资源，就是让信号量的计数值增加 1，并且把等待这个
• 唤醒谁？有两种方法。创建信号量时，可以指定一个参数 flag：

1. RT_IPC_FLAG_PRIO：表示唤醒优先级最高的等待线程
2. RT_IPC_FLAG_FIFO：表示唤醒等待时间最长的等待线程

 信号量函数

    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 struct rt_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。信号量控制块结构的详细定义如下：

struct rt_semaphore
{
 struct rt_ipc_object parent; /**< inherit from ipc_object */
 rt_uint16_t value; /**< value of semaphore. */
 rt_uint16_t reserved; /**< reserved field */
};

里面成员 rt_uint16_t value 表示信号量的值，最大为 65535 。

使用信号量时，先创建 / 初始化、然后去获取资源、释放资源。使用句柄 rt_sem_t 来表示一个信号量。

创建/初始化

 使用信号量之前，要先创建，得到一个句柄；使用信号量时，要使用句柄来表明使用哪个信号量。

信号量的创建有两种方法：动态分配内存、静态分配内存，

• 动态分配内存：rt_sem_create()，从对象管理器中分配一个 semaphore 对象，并初始化这个对象
• 静态分配内存：rt_sem_init()，信号量结构体要事先分配好

rt_sem_create() 函数原型如下：

rt_sem_t rt_sem_create(const char *name,rt_uint32_t value,rt_uint8_t flag);

参数	说明
name	信号量名称
value	信号量初始值
flag	信号量标志，可以取： RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO
返回值	信号量句柄：成功，返回句柄，以后使用句柄来操作信号量 RT_NULL ：失败

rt_sem_init()函数原型如下：

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

参数	说明
sem	信号量对象的句柄
name	信号量的名字
value	信号量的初始值
flag	信号量标志： RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO
返回值	RT_EOK ：成功

删除/脱离

不再使用一个信号量时：

• 删除它：rt_sem_delete()，只能删除使用 rt_sem_create()创建的信号量
• 脱离它：rt_sem_detach()，只能脱离使用 rt_sem_init()初始化的信号量

删除消息队列的函数为 rt_sem_delete() ，它会释放内存。原型如下：

rt_err_t rt_sem_delete(rt_sem_t sem);

删除信号量时，如果有线程正在等待该信号量，则内核会先唤醒这些线程（线程返回值是  RT_ERROR ），然后再释放信号量使用的内存，最后删除信号量对象。

脱离信号量，就是将信号量对象被从内核对象管理器中脱离。原型如下：

rt_err_t rt_sem_detach(rt_sem_t sem);

脱离信号量时，如果有线程在等待该信号量，则内核会先唤醒这些线程（线程返回值

是 - RT_ERROR） 。

获取/释放

RT-Thread 有两个获取信号量的函数 , 一个释放信号量函数：

• rt_sem_take() 获取信号量
• rt_sem_trytake() 无等待、尝试获取信号量
• rt_sem_release() 释放信号量

使用 rt_sem_take() 获取信号量时，信号量的值大于 0 ，线程将获得信号量，信号量值减 1 ；当信号量的值等于 0 时，线程会根据 timeout 参数等待，超时后才返回错误 ( - RT_ETIMEOUT)。

使用 rt_sem_trytake() 获取信号量时，信号量的值大于 0 ，线程将获得信号量，信号量值减 1 ；当信号量的值等于 0 时，线程会直接返回，和 rt_sem_take(sem, RT_WAITING_NO) 作用相同，即不会等待。

使用 rt_sem_release() 将释放信号量：

• 如果有线程在等待这个信号量，此函数不会累加信号量的值，而是直接唤醒等待的线程：

1. 有多个线程在等待同一个信号量时，谁被唤醒？
2. 创建信号量时指定参数为 RT_IPC_FLAG_PRIO：表示唤醒优先级最高的等待线程
3. 创建信号量时指定参数为 RT_IPC_FLAG_FIFO：表示唤醒等待时间最长的等待线程

• 如果没有线程在等待这个信号量，此函数会累加信号量的值

获取信号量的函数原型如下：

rt_err_t rt_sem_take (rt_sem_t sem, rt_int32_t time);

参数	说明
sem	信号量对象的句柄
time	超时时间，单位为系统时钟节拍（ OS Tick ）
返回值	RT_EOK ：获取信号量成功 RT_ETIMEOUT ：获取信号量超时 RT_ERROR ：获取信号量错误

无等待获取信号量的函数原型如下：

rt_err_t rt_sem_trytake(rt_sem_t sem);

参数	说明
sem	信号量的句柄
返回值	RT_EOK ：获取信号量成功 RT_ETIMEOUT ：获取信号量超时

释放信号量的函数原型如下：

rt_err_t rt_sem_release(rt_sem_t sem);

参数	说明
sem	信号量的句柄
返回值	RT_TRUE ：释放信号量成功，并唤醒了一个等待的线程 RT_EOK ：释放信号量成功 RT_EFULL ：信号量的值已经到达极限 0xffff