RT-Thread学习记录-2.线程间的同步和通信
1. RTOS中同步与通信基本概念
在 RTOS 中，每个线程是独立的个体，接受调度器的调度运行。但是，线程之间不是完全不联系的，联系的方式就是同步与通信。只有掌握同步与通信的编程方法，才能编出较为完整的程序。 RTOS 中主要的同步与通信手段有：事件、消息队列、信号量、互斥量等，以下将讲解它们的基本概念与应用方法 。
1.1 同步的含义与通信手段
为了实现各线程之间的合作和无冲突的运行，一个线程的运行过程就需要和其他线程进行配合，线程之间的配合过程称为同步。由于线程间的同步过程通常是由某种条件来触发的，又称为条件同步。在每一次同步的过程中，其中一线程（或中断）为“控制方”，它使用 RTOS提供的某种通信手段发出控制信息；另一个线程为“被控制方”，通过通信手段得到控制信息后，进入就绪列表，被 RTOS 调度执行。被控制方的状态受到控制方发出的信息而控制，即被控制方的状态由控制方发出的信息来同步。
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的从共享内存中读取数据并发送去显示，下图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，线程同步是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），这块代码就称为临界区，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。
线程的同步方式有很多种，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。
为了实现线程之间的同步， RTOS 提供了灵活多样的通信手段，如 信号量、互斥量、事件集 等，它们适合不同的场合。
1. 从是否需要通信数据的角度看
① 只发同步信号，不需要数据。可使用信号量、互斥量、事件集。若同步信号为多个信号的逻辑运算结果时，一般使用事件作为同步手段。
② 有同步功能，又传输数据。可使用邮箱、消息队列、信号。
2. 从产生与使用数据速度的角度看
若产生数据的速度有时快于处理速度，这种情况有未处理的数据堆积，只能使用有缓冲功能的通信手段，如消息队列。但是，产生数据的速度总平均，应该慢于处理速度，否则消息队列会溢出。
1.2 同步类型
在 RTOS 中，有中断与线程之间的同步、两个线程之间的同步、两个以上线程同步一个线程、多个线程相互同步等同步类型。
1. 中断和线程之间的同步
若一个线程与某一中断相关联，在中断处理程序中产生同步信号，处于阻塞状态的线程等着这个信号。一旦这个信号发出，该线程就会从阻塞状态变为就绪状态，接受 RTOS 内核的调度。例如，一个小灯线程与一个串口接收中断相关联，小灯亮暗切换受串口接收到数据而控制，这种情况可用事件方式实现中断和线程之间的同步。串口接收中断中，中断处理程序收到一个完整数据帧时，可发出一个事件信号，当处于阻塞状态的小灯线程收到这个事件信号时，就可以进行灯的亮暗切换。
2. 两个线程之间的同步
两个线程之间的同步分为单向同步、双向同步。
两个线程之间的单向同步。如果单向同步发生在两个线程之间，则实际同步效果与两个线程的优先级有很大关系，当控制方线程的优先级低于被控制方线程的优先级时，控制方线程发出信息后使被控制方线程进入就绪状态，并立即发生线程切换，然后被控制方线程直接进入激活状态，瞬时同步效果较好。当控制方线程的优先级高于被控制方线程的优先级时，控制方线程发出信息后虽然使控制方线程进入就绪状态，但并不发生线程切换，只有当控制方再次调用系统服务函数（如延时函数）使自己挂起时，被控制方线程才有机会运行，其瞬时同步效果较差。
两个线程之间的双向同步。在单向同步过程中，必须保证消息的平均生产时间比消息的平均消费时间长，否则，再大的消息队列也会溢出，可以通过协调生产者和消费者的关系来建立一个产销平衡的理想状态。通信的双方相互制约，生产者通过提供消息来同步消费者，消费者通过回复消息来同步生产者，即生产者必须得到消费者的回复后才能进行下一个消息的生产。这种运行方式称为双向同步，它使生产者的生产速度受到消费者的反向控制，达到产销平衡的理想状态。双向同步主要功能为确认每次通信均成功，没有遗漏。
3. 两个以上线程同步一个线程
当需要由两个以上线程来同步一个线程时，简单的通信方式难以实现，可采用事件按“逻辑与”来实现，此时被同步线程的执行次数不超过各个同步线程中发出信号最少的线程的执行次数。只要被同步线程的执行速度足够快，被同步线程的执行次数就可以等于各个同步线程中发出信号最少的线程的执行次数。逻辑与的控制功能具有安全控制的特点，它可用来保障一个重要线程必须在万事俱备的前提下才可以执行。
4. 多个线程相互同步
多个线程相互同步可以将若干相关线程的运行频度保持一致，每个相关线程在运行到同步点时都必须等待其他线程，只有全部相关线程都到达同步点，才可以按优先级顺序依次离开同步点，从而达到相关线程的运行频度保持一致的目的。多个线程相互同步保证在任何情况下各个线程的有效执行次数都相同，而且等于运行速度最低的线程的执行次数。这种同步方式具有团队作战的特点，它可用在一个需要多线程配合进行的循环作业中。
2. 信号量
2.1 信号量的概念
信号量的概念最初是由荷兰计算机科学家艾兹格·迪杰斯特拉（Edsger W. Dijkstra）提出的，广泛应用于不同的操作系统中。维基百科（ zh.wikipedia.org）对信号量的定义如下：信号量（Semaphore）是一个提供信号的非负整型变量，以确保在并行计算环境中，不同线程在访问共享资源时，不会发生冲突。利用信号量机制访问一个共享资源时，线程必须获取对应的信号量，如果信号量不为 0，则表示还有资源可以使用，此时线程可使用该资源，并将信号量减 1；如果信号量为 0，则表示资源已被用完，该线程进入信号量阻塞列表和等待列表，排队等候其他线程使用完该资源后释放信号量（将信号量加 1），才可以重新获取该信号量，访问该共享资源。 此外，若信号量的最大数量为 1，信号量就变成了互斥量。当共享资源有限时，可以采用信号量来表达资源可使用的次数，当线程获得信号量时就可以访问该共享资源了。
2.2 信号量的工作机制
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（资源）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）。
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，管理员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，就类似于线程通过获得信号量访问公共资源。
操作系统对信号量的操作通常有 创建和删除信号量、初始化和脱离信号量、获取信号量、释放信号量 。
2.3 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；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。
锁
锁，单一的锁常应用于多个线程间对同一共享资源（即临界区）的访问。信号量在作为锁来使用时，通常应将信号量资源实例初始化成 1，代表系统默认有一个资源可用，因为信号量的值始终在 1 和 0 之间变动，所以这类锁也叫做二值信号量。如下图所示，当线程需要访问共享资源时，它需要先获得这个资源锁。当这个线程成功获得资源锁时，其他打算访问共享资源的线程会由于获取不到资源而挂起，这是因为其他线程在试图获取这个锁时，这个锁已经被锁上（信号量值是 0）。当获得信号量的线程处理完毕，退出临界区时，它将会释放信号量并把锁解开，而挂起在锁上的第一个等待线程将被唤醒从而获得临界区的访问权。
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进行相应的数据处理。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。
注：中断与线程间的互斥不能采用信号量（锁）的方式，而应采用开关中断的方式。
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做为前一线程工作完成个数的计数，而当调度到后一线程时，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。
注：一般资源计数类型多是混合方式的线程间同步，因为对于单个的资源处理依然存在线程的多重访问，这就需要对一个单独的资源进行访问、处理，并进行锁方式的互斥操作。
2.4 信号量应用示例
信号量示例
这是一个信号量使用例程，该例程创建了一个动态信号量，初始化两个线程，一个线程发送信号量，一个线程接收到信号量后，执行相应的操作。如下代码所示：
信号量的使用:
#include 仿真运行结果：
\ | /
- RT - Thread Operating System
/ | \ 3.1.0 build Aug 27 2018
2006 - 2018 Copyright by rt-thread team
msh >semaphore_sample
create done. dynamic semaphore value = 0.
msh >t1 release a dynamic semaphore.
t2 take a dynamic semaphore. number = 1
t1 release a dynamic semaphore.
t2 take a dynamic semaphore. number = 2
t1 release a dynamic semaphore.
t2 take a dynamic semaphore. number = 3
t1 release a dynamic semaphore.
t2 take a dynamic semaphore. number = 4
t1 release a dynamic semaphore.
t2 take a dynamic semaphore. number = 5
t1 release a dynamic semaphore.
t2 take a dynamic semaphore. number = 6
t1 release a dynamic semaphore.
t2 take a dynamic semaphore. number = 7
t1 release a dynamic semaphore.
t2 take a dynamic semaphore. number = 8
t1 release a dynamic semaphore.
t2 take a dynamic semaphore. number = 9
t1 release a dynamic semaphore.
t2 take a dynamic semaphore. number = 10
如上面运行结果：线程 1 在 count 计数为 10 的倍数时（count 计数为 100 之后线程退出），发送一个信号量，线程 2 在接收信号量后，对 number 进行加 1 操作。
生产者消费者
本例程将使用 2 个线程、3 个信号量实现生产者与消费者的例子。其中：
3 个信号量分别为：①lock：信号量锁的作用，因为 2 个线程都会对同一个数组 array 进行操作，所以该数组是一个共享资源，锁用来保护这个共享资源。②empty：空位个数，初始化为 5 个空位。③full：满位个数，初始化为 0 个满位。
2 个线程分别为：①生产者线程：获取到空位后，产生一个数字，循环放入数组中，然后释放一个满位。②消费者线程：获取到满位后，读取数组内容并相加，然后释放一个空位。
生产者消费者例程
#include 该例程的仿真结果如下：
\ | /
- RT - Thread Operating System
/ | \ 3.1.0 build Aug 27 2018
2006 - 2018 Copyright by rt-thread team
msh >producer_consumer
the producer generates a number: 1
the consumer[0] get a number: 1
msh >the producer generates a number: 2
the producer generates a number: 3
the consumer[1] get a number: 2
the producer generates a number: 4
the producer generates a number: 5
the producer generates a number: 6
the consumer[2] get a number: 3
the producer generates a number: 7
the producer generates a number: 8
the consumer[3] get a number: 4
the producer generates a number: 9
the consumer[4] get a number: 5
the producer generates a number: 10
the producer exit!
the consumer[0] get a number: 6
the consumer[1] get a number: 7
the consumer[2] get a number: 8
the consumer[3] get a number: 9
the consumer[4] get a number: 10
the consumer sum is: 55
the consumer exit!
本例程可以理解为生产者生产产品放入仓库，消费者从仓库中取走产品。
（1）生产者线程：
1）获取 1 个空位（放产品 number），此时空位减 1；
2）上锁保护；本次的产生的 number 值为 cnt+1，把值循环存入数组 array 中；再开锁；
3）释放 1 个满位（给仓库中放置一个产品，仓库就多一个满位），满位加 1；
（2）消费者线程：
1）获取 1 个满位（取产品 number），此时满位减 1；
2）上锁保护；将本次生产者生产的 number 值从 array 中读出来，并与上次的 number 值相加；再开锁；
3）释放 1 个空位（从仓库上取走一个产品，仓库就多一个空位），空位加 1。
生产者依次产生 10 个 number，消费者依次取走，并将 10 个 number 的值求和。信号量锁 lock 保护 array 临界区资源：保证了消费者每次取 number 值的排他性，实现了线程间同步。
3. 互斥量
3.1 互斥的概念
当共享资源只有一个时，为了确保在某个时刻只有一个线程能够访问该共享资源，可以考虑采用互斥量来实现。互斥量又叫相互排斥的信号量（互斥锁），是一种特殊的二值信号量，是一种用于保护操作系统中的临界区（或是共享资源）基本的同步工具之一。它能够保证任何时刻只有一个线程能够操作临界区，从而实现线程间同步。互斥量的操作只有加锁和解锁两种，每个线程都可以对一个互斥量进行加锁和解锁操作，必须按照先加锁再解锁的顺序进行操作。一旦某个线程对互斥量上锁，在它对互斥量进行解锁操作之前，任何线程都无法再对该互斥量进行上锁，是一个独占资源的行为。 在无操作系统的情况下，一般通过声明独立的全局变量并在主循环中使用条件判断语句对全局变量的特定取值进行判断来实现对资源的独占。
互斥量类似于只有一个车位的停车场：当有一辆车进入的时候，将停车场大门锁住，其他车辆在外面等候。当里面的车出来时，将停车场大门打开，下一辆车才可以进入。
3.2 互斥量工作机制
互斥量和信号量不同的是：
-
拥有互斥量的线程拥有互斥量的所有权，其只能由持有线程释放，而信号量则可以由任何线程释放；
-
互斥量支持递归访问且能防止线程优先级翻转。
互斥量的状态只有两种，开锁或闭锁（两种状态值）。当有线程持有它时，互斥量处于闭锁状态，由这个线程获得它的所有权。相反，当这个线程释放它时，将对互斥量进行开锁，失去它的所有权。当一个线程持有互斥量时，其他线程将不能够对它进行开锁或持有它，持有该互斥量的线程也能够再次获得这个锁而不被挂起，如下图时所示。这个特性与一般的二值信号量有很大的不同：在信号量中，因为已经不存在实例，线程递归持有会发生主动挂起（最终形成死锁）。
使用信号量会导致的另一个潜在问题是线程优先级翻转问题。所谓优先级翻转，即当一个高优先级线程试图通过信号量机制访问共享资源时，如果该信号量已被一低优先级线程持有，而这个低优先级线程在运行过程中可能又被其它一些中等优先级的线程抢占，因此造成高优先级线程被许多具有较低优先级的线程阻塞，实时性难以得到保证。如下图所示：有优先级为 A、B 和 C 的三个线程，优先级 A> B > C。线程 A，B 处于挂起状态，等待某一事件触发，线程 C 正在运行，此时线程 C 开始使用某一共享资源 M。在使用过程中，线程 A 等待的事件到来，线程 A 转为就绪态，因为它比线程 C 优先级高，所以立即执行。但是当线程 A 要使用共享资源 M 时，由于其正在被线程 C 使用，因此线程 A 被挂起切换到线程 C 运行。如果此时线程 B 等待的事件到来，则线程 B 转为就绪态。由于线程 B 的优先级比线程 C 高，因此线程 B 开始运行，直到其运行完毕，线程 C 才开始运行。只有当线程 C 释放共享资源 M 后，线程 A 才得以执行。在这种情况下，优先级发生了翻转：线程 B 先于线程 A 运行。这样便不能保证高优先级线程的响应时间。
在 RT-Thread 操作系统中，互斥量可以解决优先级翻转问题，实现的是优先级继承算法。优先级继承是通过在线程 A 尝试获取共享资源而被挂起的期间内，将线程 C 的优先级提升到线程 A 的优先级别，从而解决优先级翻转引起的问题。这样能够防止 C（间接地防止 A）被 B 抢占，如下图所示。优先级继承是指，提高某个占有某种资源的低优先级线程的优先级，使之与所有等待该资源的线程中优先级最高的那个线程的优先级相等，然后执行，而当这个低优先级线程释放该资源时，优先级重新回到初始设定。因此，继承优先级的线程避免了系统资源被任何中间优先级的线程抢占。
注：在获得互斥量后，请尽快释放互斥量，并且在持有互斥量的过程中，不得再行更改持有互斥量线程的优先级。
操作系统对信号量的操作通常有 创建和删除互斥量、初始化和脱离信号量、获取信号量、释放信号量。
3.3 互斥量应用场合
互斥量的使用比较单一，因为它是信号量的一种，并且它是以锁的形式存在。在初始化的时候，互斥量永远都处于开锁的状态，而被线程持有的时候则立刻转为闭锁的状态。互斥量更适合于：
（1）线程多次持有互斥量的情况下。这样可以避免同一线程多次递归持有而造成死锁的问题。
（2）可能会由于多线程同步而造成优先级翻转的情况。
假定有两个线程，线程 A 从串口输出“线程 A”，线程 B 从串口输出“线程 B”，执行从线程 A 开始，且线程 A 和线程 B 的优先级相同。
（1） 不使用互斥
在不使用互斥的情况下，由于操作系统时间片轮转机制，线程 A 和线程 B 交替执行，线程 A 向串口发送内容还没结束，线程 B 就向串口发送内容，会导致发送的内容混乱，无法得到正确的结果。不使用互斥两个线程串口输出流程如下图所示。
经过上述流程，串口输出了“任线程务 AB”，与期望输出“线程 A”和“线程 B”相去甚远。
（2） 使用互斥
在使用互斥的情况下，线程 A 在占用串口后，线程 B 必须等待线程 A 发送完成并解除占用才能占用串口发送数据。这样经过“排队”的一个过程串口能够正常输出“线程 A”和“线程 B”，保证了程序的正确性。使用互斥两个线程串口输出流程如下图所示。
3.4 互斥量应用示例
这是一个互斥量的应用例程，互斥锁是一种保护共享资源的方法。当一个线程拥有互斥锁的时候，可以保护共享资源不被其他线程破坏。下面用一个例子来说明，有两个线程：线程 1 和线程 2，线程 1 对 2 个 number 分别进行加 1 操作；线程 2 也对 2 个 number 分别进行加 1 操作，使用互斥量保证线程改变 2 个 number 值的操作不被打断。如下代码所示：
互斥量例程
#include 线程 1 与线程 2 中均使用互斥量保护对 2 个 number 的操作（倘若将线程 1 中的获取、释放互斥量语句注释掉，线程 1 将对 number 不再做保护），仿真运行结果如下：
\ | /
- RT - Thread Operating System
/ | \ 3.1.0 build Aug 24 2018
2006 - 2018 Copyright by rt-thread team
msh >mutex_sample
msh >mutex protect ,number1 = mumber2 is 1
mutex protect ,number1 = mumber2 is 2
mutex protect ,number1 = mumber2 is 3
mutex protect ,number1 = mumber2 is 4
…
mutex protect ,number1 = mumber2 is 48
mutex protect ,number1 = mumber2 is 49复制错误复制成功
线程使用互斥量保护对两个 number 的操作，使 number 值保持一致。
互斥量的另一个例子见下面的代码，这个例子将创建 3 个动态线程以检查持有互斥量时，持有的线程优先级是否被调整到等待线程优先级中的最高优先级。
防止优先级翻转特性例程
#include 仿真运行结果如下：
\ | /
- RT - Thread Operating System
/ | \ 3.1.0 build Aug 27 2018
2006 - 2018 Copyright by rt-thread team
msh >pri_inversion
the priority of thread2 is: 10
the priority of thread3 is: 11
the priority of thread2 is: 10
the priority of thread3 is: 10
test OK.复制错误复制成功
例程演示了互斥量的使用方法。线程 3 先持有互斥量，而后线程 2 试图持有互斥量，此时线程 3 的优先级被提升为和线程 2 的优先级相同。
注：需要切记的是互斥量不能在中断服务例程中使用。
4. 事件集
4.1 事件集的概念
当某个线程需要等待另一线程（或中断）的信号才能继续工作，或需要将两个及两个以上的信号进行某种逻辑运算，用逻辑运算的结果作为同步控制信号时，可采用“事件字”来实现，而这个信号或运算结果可以看作是一个事件。事件集也是线程间同步的机制之一，一个事件集可以包含多个事件，利用事件集可以完成一对多，多对多的线程间同步。下面以坐公交为例说明事件，在公交站等公交时可能有以下几种情况：
①P1 坐公交去某地，只有一种公交可以到达目的地，等到此公交即可出发。
②P1 坐公交去某地，有 3 种公交都可以到达目的地，等到其中任意一辆即可出发。
③P1 约另一人 P2 一起去某地，则 P1 必须要等到 “同伴 P2 到达公交站” 与“公交到达公交站”两个条件都满足后，才能出发。
这里，可以将 P1 去某地视为线程，将 “公交到达公交站”、“同伴 P2 到达公交站” 视为事件的发生，情况①是特定事件唤醒线程；情况②是任意单个事件唤醒线程；情况③是多个事件同时发生才唤醒线程。
4.2 事件集的工作机制
事件集主要用于线程间的同步，与信号量不同，它的特点是可以实现一对多，多对多的同步。即一个线程与多个事件的关系可设置为：其中任意一个事件唤醒线程，或几个事件都到达后才唤醒线程进行后续的处理；同样，事件也可以是多个线程同步多个事件。这种多个事件的集合可以用一个 32 位无符号整型变量来表示，变量的每一位代表一个事件，线程通过 “逻辑与” 或“逻辑或”将一个或多个事件关联起来，形成事件组合。事件的 “逻辑或” 也称为是独立型同步，指的是线程与任何事件之一发生同步；事件 “逻辑与” 也称为是关联型同步，指的是线程与若干事件都发生同步。
RT-Thread 定义的事件集有以下特点：
1）事件只与线程相关，事件间相互独立：每个线程可拥有 32 个事件标志，采用一个 32 bit 无符号整型数进行记录，每一个 bit 代表一个事件；
2）事件仅用于同步，不提供数据传输功能；
3）事件无排队性，即多次向线程发送同一事件 (如果线程还未来得及读走)，其效果等同于只发送一次。
在 RT-Thread 中，每个线程都拥有一个事件信息标记，它有三个属性，分别是 RT_EVENT_FLAG_AND(逻辑与)，RT_EVENT_FLAG_OR(逻辑或）以及 RT_EVENT_FLAG_CLEAR(清除标记）。当线程等待事件同步时，可以通过 32 个事件标志和这个事件信息标记来判断当前接收的事件是否满足同步条件。
如上图所示，线程 #1 的事件标志中第 1 位和第 30 位被置位，如果事件信息标记位设为逻辑与，则表示线程 #1 只有在事件 1 和事件 30 都发生以后才会被触发唤醒，如果事件信息标记位设为逻辑或，则事件 1 或事件 30 中的任意一个发生都会触发唤醒线程 #1。如果信息标记同时设置了清除标记位，则当线程 #1 唤醒后将主动把事件 1 和事件 30 清为零，否则事件标志将依然存在（即置 1）。
操作系统对信号量的操作通常有 创建和删除事件集、初始化和脱离事件集、发送事件集、接收事件集 。
4.3 事件集的使用场合
事件集可使用于多种场合，它能够在一定程度上替代信号量，用于线程间同步。一个线程或中断服务例程发送一个事件给事件集对象，而后等待的线程被唤醒并对相应的事件进行处理。但是它与信号量不同的是，**事件的发送操作在事件未清除前，是不可累计的，而信号量的释放动作是累计的。**事件的另一个特性是，接收线程可等待多种事件，即多个事件对应一个线程或多个线程。同时按照线程等待的参数，可选择是 “逻辑或” 触发还是 “逻辑与” 触发。这个特性也是信号量等所不具备的，信号量只能识别单一的释放动作，而不能同时等待多种类型的释放。如下图所示为多事件接收示意图：
一个事件集中包含 32 个事件，特定线程只等待、接收它关注的事件。可以是一个线程等待多个事件的到来（线程 1、2 均等待多个事件，事件间可以使用 “与” 或者 “或” 逻辑触发线程），也可以是多个线程等待一个事件的到来（事件 25）。当有它们关注的事件发生时，线程将被唤醒并进行后续的处理动作。
4.4 事件集应用示例
这是事件集的应用例程，例子中初始化了一个事件集，两个线程。一个线程等待自己关心的事件发生，另外一个线程发送事件，如以下代码所示：
事件集的使用例程
#include 仿真运行结果如下：
\ | /
- RT - Thread Operating System
/ | \ 3.1.0 build Aug 24 2018
2006 - 2018 Copyright by rt-thread team
msh >event_sample
thread2: send event3
thread1: OR recv event 0x8
thread1: delay 1s to prepare the second event
msh >thread2: send event5
thread2: send event3
thread2 leave.
thread1: AND recv event 0x28
thread1 leave.复制错误复制成功
例程演示了事件集的使用方法。线程 1 前后两次接收事件，分别使用了 “逻辑或” 与“逻辑与”的方法。
5. 邮箱
在裸机编程中，经常会使用全局变量进行功能间的通信，如某些功能可能由于一些操作而改变全局变量的值，另一个功能对此全局变量进行读取，根据读取到的全局变量值执行相应的动作，达到通信协作的目的。RT-Thread 中则提供了更多的工具帮助在不同的线程中间传递信息，这里将学会如何将邮箱、消息队列、信号用于线程间的通信。
5.1 邮箱的概念
邮箱服务是实时操作系统中一种典型的线程间通信方法。举一个简单的例子，有两个线程，线程 1 检测按键状态并发送，线程 2 读取按键状态并根据按键的状态相应地改变 LED 的亮灭。这里就可以使用邮箱的方式进行通信，线程 1 将按键的状态作为邮件发送到邮箱，线程 2 在邮箱中读取邮件获得按键状态并对 LED 执行亮灭操作。
这里的线程 1 也可以扩展为多个线程。例如，共有三个线程，线程 1 检测并发送按键状态，线程 2 检测并发送 ADC 采样信息，线程 3 则根据接收的信息类型不同，执行不同的操作。
5.2 邮箱的工作机制
RT-Thread 操作系统的邮箱用于线程间通信，特点是开销比较低，效率较高。邮箱中的每一封邮件只能容纳固定的 4 字节内容（针对 32 位处理系统，指针的大小即为 4 个字节，所以一封邮件恰好能够容纳一个指针）。典型的邮箱也称作交换消息，如下图所示，线程或中断服务例程把一封 4 字节长度的邮件发送到邮箱中，而一个或多个线程可以从邮箱中接收这些邮件并进行处理。
非阻塞方式的邮件发送过程能够安全的应用于中断服务中，是线程、中断服务、定时器向线程发送消息的有效手段。通常来说，邮件收取过程可能是阻塞的，这取决于邮箱中是否有邮件，以及收取邮件时设置的超时时间。当邮箱中不存在邮件且超时时间不为 0 时，邮件收取过程将变成阻塞方式。在这类情况下，只能由线程进行邮件的收取。
当一个线程向邮箱发送邮件时，如果邮箱没满，将把邮件复制到邮箱中。如果邮箱已经满了，发送线程可以设置超时时间，选择等待挂起或直接返回 - RT_EFULL。如果发送线程选择挂起等待，那么当邮箱中的邮件被收取而空出空间来时，等待挂起的发送线程将被唤醒继续发送。
当一个线程从邮箱中接收邮件时，如果邮箱是空的，接收线程可以选择是否等待挂起直到收到新的邮件而唤醒，或可以设置超时时间。当达到设置的超时时间，邮箱依然未收到邮件时，这个选择超时等待的线程将被唤醒并返回 - RT_ETIMEOUT。如果邮箱中存在邮件，那么接收线程将复制邮箱中的 4 个字节邮件到接收缓存中。
操作系统对信号量的操作通常有 创建和删除邮箱、初始化和脱离邮箱、（等待方式）发送邮件、接收邮件 。
5.3 邮箱的使用场合
邮箱是一种简单的线程间消息传递方式，特点是开销比较低，效率较高。在 RT-Thread 操作系统的实现中能够一次传递一个 4 字节大小的邮件，并且邮箱具备一定的存储功能，能够缓存一定数量的邮件数 (邮件数由创建、初始化邮箱时指定的容量决定)。邮箱中一封邮件的最大长度是 4 字节，所以邮箱能够用于不超过 4 字节的消息传递。由于在 32 系统上 4 字节的内容恰好可以放置一个指针，因此当需要在线程间传递比较大的消息时，可以把指向一个缓冲区的指针作为邮件发送到邮箱中，即邮箱也可以传递指针，例如：
struct msg
{
rt_uint8_t *data_ptr;
rt_uint32_t data_size;
};复制错误复制成功
对于这样一个消息结构体，其中包含了指向数据的指针 data_ptr 和数据块长度的变量 data_size。当一个线程需要把这个消息发送给另外一个线程时，可以采用如下的操作：
struct msg* msg_ptr;
msg_ptr = (struct msg*)rt_malloc(sizeof(struct msg));
msg_ptr->data_ptr = ...; /* 指向相应的数据块地址 */
msg_ptr->data_size = len; /* 数据块的长度 */
/* 发送这个消息指针给 mb 邮箱 */
rt_mb_send(mb, (rt_uint32_t)msg_ptr);复制错误复制成功
而在接收线程中，因为收取过来的是指针，而 msg_ptr 是一个新分配出来的内存块，所以在接收线程处理完毕后，需要释放相应的内存块：
struct msg* msg_ptr;
if (rt_mb_recv(mb, (rt_uint32_t*)&msg_ptr) == RT_EOK)
{
/* 在接收线程处理完毕后，需要释放相应的内存块 */
rt_free(msg_ptr);
}
5.4 邮箱使用示例
这是一个邮箱的应用例程，初始化 2 个静态线程，一个静态的邮箱对象，其中一个线程往邮箱中发送邮件，一个线程往邮箱中收取邮件。如下代码所示：
邮箱的使用例程
#include 仿真运行结果如下：
\ | /
- RT - Thread Operating System
/ | \ 3.1.0 build Aug 27 2018
2006 - 2018 Copyright by rt-thread team
msh >mailbox_sample
thread1: try to recv a mail
thread1: get a mail from mailbox, the content:I'm a mail!
msh >thread1: try to recv a mail
thread1: get a mail from mailbox, the content:this is another mail!
…
thread1: try to recv a mail
thread1: get a mail from mailbox, the content:this is another mail!
thread1: try to recv a mail
thread1: get a mail from mailbox, the content:over复制错误复制成功
例程演示了邮箱的使用方法。线程 2 发送邮件，共发送 11 次；线程 1 接收邮件，共接收到 11 封邮件，将邮件内容打印出来，并判断结束。
6. 消息队列
6.1 消息队列的概念
消息队列是另一种常用的线程间通讯方式，是邮箱的扩展。可以应用在多种场合：线程间的消息交换、使用串口接收不定长数据等。
消息（Message）是一种线程间数据传送的单位，它可以是只包含文本的字符串或数字，也可以更复杂，如结构体类型等，所以相比使用事件时传递的少量数据（1 位或 1 个字），消息则可以传递更多、更复杂的数据，它的传送通过消息队列实现。
消息队列（Message Queue）是在消息传输过程中保存消息的一种容器，是将消息从它的源头发送到目的地的中转站，它是能够实现线程之间同步和大量数据交换的一种队列机制。在该机制下，消息发送方在消息队列未满时将消息发往消息队列，接收方则在消息队列非空时将消息队列中的首个消息取出；而在消息队列满或者空时，消息发送方及接收方既可以等待队列满足条件，也可以不等待而直接继续后续操作。这样只要消息的平均发送速度小于消息的平均接收速度，就可以实现线程间的同步数据交换，哪怕偶尔产生消息堆积，也可以在消息队列中获得缓冲，解决了消息的堆积问题。
6.2 消息队列的工作机制
消息队列能够接收来自线程或中断服务例程中不固定长度的消息，并把消息缓存在自己的内存空间中。其他线程也能够从消息队列中读取相应的消息，而当消息队列是空的时候，可以挂起读取线程。当有新的消息到达时，挂起的线程将被唤醒以接收并处理消息。消息队列是一种异步的通信方式。
如下图所示，线程或中断服务例程可以将一条或多条消息放入消息队列中。同样，一个或多个线程也可以从消息队列中获得消息。当有多个消息发送到消息队列时，通常将先进入消息队列的消息先传给线程，也就是说，线程先得到的是最先进入消息队列的消息，即先进先出原则 (FIFO)。
RT-Thread 操作系统的消息队列对象由多个元素组成，当消息队列被创建时，它就被分配了消息队列控制块：消息队列名称、内存缓冲区、消息大小以及队列长度等。同时每个消息队列对象中包含着多个消息框，每个消息框可以存放一条消息；消息队列中的第一个和最后一个消息框被分别称为消息链表头和消息链表尾，对应于消息队列控制块中的 msg_queue_head 和 msg_queue_tail；有些消息框可能是空的，它们通过 msg_queue_free 形成一个空闲消息框链表。所有消息队列中的消息框总数即是消息队列的长度，这个长度可在消息队列创建时指定。
操作系统对信号量的操作通常有 创建和删除消息队列、初始化和脱离消息队列、（1等待方式）发送（2紧急）消息、接收消息 。
6.3 消息队列的使用场合
消息队列可以应用于发送不定长消息的场合，包括线程与线程间的消息交换，以及中断服务例程中给线程发送消息（中断服务例程不能接收消息）。下面分发送消息和同步消息两部分来介绍消息队列的使用。
1. 发送消息
消息队列和邮箱的明显不同是消息的长度并不限定在 4 个字节以内；另外，消息队列也包括了一个发送紧急消息的函数接口。但是当创建的是一个所有消息的最大长度是 4 字节的消息队列时，消息队列对象将蜕化成邮箱。这个不限定长度的消息，也及时的反应到了代码编写的场合上，同样是类似邮箱的代码：
struct msg
{
rt_uint8_t *data_ptr; /* 数据块首地址 */
rt_uint32_t data_size; /* 数据块大小 */
};复制错误复制成功
和邮箱例子相同的消息结构定义，假设依然需要发送这样一个消息给接收线程。在邮箱例子中，这个结构只能够发送指向这个结构的指针（在函数指针被发送过去后，接收线程能够正确的访问指向这个地址的内容，通常这块数据需要留给接收线程来释放）。而使用消息队列的方式则大不相同：
void send_op(void *data, rt_size_t length)
{
struct msg msg_ptr;
msg_ptr.data_ptr = data; /* 指向相应的数据块地址 */
msg_ptr.data_size = length; /* 数据块的长度 */
/* 发送这个消息指针给 mq 消息队列 */
rt_mq_send(mq, (void*)&msg_ptr, sizeof(struct msg));
}复制错误复制成功
注意，上面的代码中，是把一个局部变量的数据内容发送到了消息队列中。在接收线程中，同样也采用局部变量进行消息接收的结构体：
void message_handler()
{
struct msg msg_ptr; /* 用于放置消息的局部变量 */
/* 从消息队列中接收消息到 msg_ptr 中 */
if (rt_mq_recv(mq, (void*)&msg_ptr, sizeof(struct msg), RT_WAITING_FOREVER) == RT_EOK)
{
/* 成功接收到消息，进行相应的数据处理 */
}
}复制错误复制成功
因为消息队列是直接的数据内容复制，所以在上面的例子中，都采用了局部变量的方式保存消息结构体，这样也就免去动态内存分配的烦恼了（也就不用担心，接收线程在接收到消息时，消息内存空间已经被释放）。
2. 同步消息
在一般的系统设计中会经常遇到要发送同步消息的问题，这个时候就可以根据当时状态的不同选择相应的实现：两个线程间可以采用 [消息队列 + 信号量或邮箱] 的形式实现。发送线程通过消息发送的形式发送相应的消息给消息队列，发送完毕后希望获得接收线程的收到确认，工作示意图如下图所示：
根据消息确认的不同，可以把消息结构体定义成：
struct msg
{
/* 消息结构其他成员 */
struct rt_mailbox ack;
};
/* 或者 */
struct msg
{
/* 消息结构其他成员 */
struct rt_semaphore ack;
};复制错误复制成功
第一种类型的消息使用了邮箱来作为确认标志，而第二种类型的消息采用了信号量来作为确认标志。邮箱作为确认标志，代表着接收线程能够通知一些状态值给发送线程；而信号量作为确认标志只能够单一的通知发送线程，消息已经确认接收。
7. 信号
7.1 信号的概念
信号（又称为软中断信号），在软件层次上是对中断机制的一种模拟，在原理上，一个线程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是类似的。
7.2 信号的工作机制
信号在 RT-Thread 中用作异步通信，POSIX 标准定义了 sigset_t 类型来定义一个信号集，然而 sigset_t 类型在不同的系统可能有不同的定义方式，在 RT-Thread 中，将 sigset_t 定义成了 unsigned long 型，并命名为 rt_sigset_t，应用程序能够使用的信号为 SIGUSR1（10）和 SIGUSR2（12）。
信号本质是软中断，用来通知线程发生了异步事件，用做线程之间的异常通知、应急处理。一个线程不必通过任何操作来等待信号的到达，事实上，线程也不知道信号到底什么时候到达，线程之间可以互相通过调用 rt_thread_kill() 发送软中断信号。
收到信号的线程对各种信号有不同的处理方法，处理方法可以分为三类：
第一种是类似中断的处理程序，对于需要处理的信号，线程可以指定处理函数，由该函数来处理。
第二种方法是，忽略某个信号，对该信号不做任何处理，就像未发生过一样。
第三种方法是，对该信号的处理保留系统的默认值。
如下图所示，假设线程 1 需要对信号进行处理，首先线程 1 安装一个信号并解除阻塞，并在安装的同时设定了对信号的异常处理方式；然后其他线程可以给线程 1 发送信号，触发线程 1 对该信号的处理。
当信号被传递给线程 1 时，如果它正处于挂起状态，那会把状态改为就绪状态去处理对应的信号。如果它正处于运行状态，那么会在它当前的线程栈基础上建立新栈帧空间去处理对应的信号，需要注意的是使用的线程栈大小也会相应增加。
对于信号的操作，有以下几种：安装信号、阻塞信号、阻塞解除、信号发送、信号等待。
7.3 信号应用示例
这是一个信号的应用例程，如下代码所示。此例程创建了 1 个线程，在安装信号时，信号处理方式设为自定义处理，定义的信号的处理函数为 thread1_signal_handler()。待此线程运行起来安装好信号之后，给此线程发送信号。此线程将接收到信号，并打印信息。
信号使用例程
#include 仿真运行结果如下：
\ | /
- RT - Thread Operating System
/ | \ 3.1.0 build Aug 24 2018
2006 - 2018 Copyright by rt-thread team
msh >signal_sample
thread1 count : 0
thread1 count : 1
thread1 count : 2
msh >thread1 received signal 10
thread1 count : 3
thread1 count : 4
thread1 count : 5
thread1 count : 6
thread1 count : 7
thread1 count : 8
thread1 count : 9复制错误复制成功
例程中，首先线程安装信号并解除阻塞，然后发送信号给线程。线程接收到信号并打印出了接收到的信号：SIGUSR1（10）。