利用STM32CubeMX和keil模拟器，3天入门FreeRTOS（3.0） —— 同步与互斥的缺陷

前言

（1）FreeRTOS是我一天过完的，由此回忆并且记录一下。个人认为，如果只是入门，利用STM32CubeMX是一个非常好的选择。学习完本系列课程之后，再去学习网上的一些其他课程也许会简单很多。
（2）本系列课程是使用的keil软件仿真平台，所以对于没有开发板的同学也可也进行学习。
（3）叠甲，再次强调，本系列课程仅仅用于入门。学习完之后建议还要再去寻找其他课程加深理解。
（4）本系列博客对应代码仓库：gitee仓库

具体问题

（1）在RTOS开发过程中，因为实时操作系统是通过时间片轮转的方式切换任务的，那么就容易出现一些问题需要考虑。接下来我将会直接上实例代码进行讲解。
（2）这里我们先复制1.1章节的代码进行测试

同步

理论

（1）在进行多任务执行的时候，可能会存在一个任务依赖于另外一个任务的执行。因为FreeRTOS是不知道这些任务之间的依赖关系的，当出现了StartCubemxTask()没执行完，StartKeilTask()将会一直卡死在while(g_flag != 1);，这样任务执行效率会变低。
（2）以下图为例，因为Task2是依赖与TASK1的，当TASK1没有执行完成，TASK2依旧会占用CPU资源，进行死等。毫无疑问，这是非常低效的。

代码

（1）接下来我将以代码的形式展现这个实例，例如下面，StartCubemxTask()负责计算数值，StartKeilTask()负责打印数据。当StartCubemxTask()没有计算完成的时候，StartKeilTask()将只能死等。我们使用xTaskGetTickCount()函数计算进行一次计算要花费的时间。（按Ctrl+F搜索StartCubemxTask即可找到任务函数）

/* USER CODE END Header_StartCubemxTask */
static uint32_t g_num = 0;
static volatile uint8_t g_flag = 0;
static TickType_t g_preTime;
void StartCubemxTask(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartCubemxTask */
	char *CubemxTaskPrintf = (char *)argument;
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
		//同步
		g_preTime = xTaskGetTickCount();
		uint32_t i;
		for(i = 0 ; i < 0xffffff ;i++)
		{
			g_num +=i;
		}
		g_preTime = xTaskGetTickCount() - g_preTime;
		g_flag = 1;
		vTaskDelete(NULL);
  }
  /* USER CODE END StartCubemxTask */
}

/* Private application code --------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Application */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	unsigned char temp[1]={ch};
	HAL_UART_Transmit(&huart1,temp,1,0xffff);
	return ch;
}
void StartKeilTask(void *argument)
{
	while(1)
	{
		//同步
		while(g_flag != 1);
		printf("g_num = %u \r\n",g_num);
		printf("preTime = %u ms\r\n",g_preTime/portTICK_PERIOD_MS);
		vTaskDelete(NULL);
	}
}
/* USER CODE END Application */

实操

（1）使用keil的调试功能，我们能够看到这次计算花费了2836ms。

代码（增加延时函数）

（1）既然我们知道了，StartKeilTask()在StartCubemxTask()没有执行完成的时候，是进行无效的死循环。那么我们是否可以将StartKeilTask()先使用延时函数，让他进入阻塞态，等StartCubemxTask()执行完成之后再让StartKeilTask()恢复呢？
（2）既然有了这个想法，于是我们可以先在StartKeilTask()中加入一个3000ms的延时试试。（按Ctrl+F搜索StartKeilTask即可找到任务函数）
（3）其实从上面的讲解来看，我们很明显可以发现增加延时不是一种合适的处理办法。但是因为将会涉及到后面的内容，因此现在只能用增加延时函数做暂时的处理。
（4）不理解为什么需要增加延时函数的同学，需要重新补充延时函数部分的相关知识。

void StartKeilTask(void *argument)
{
	while(1)
	{
		//同步
		vTaskDelay(3000);
		while(g_flag != 1);
		printf("g_num = %u \r\n",g_num);
		printf("preTime = %u ms\r\n",g_preTime/portTICK_PERIOD_MS);
		vTaskDelete(NULL);
	}
}

实操

（1）打开仿真调试，我们能够发现，计算时间明显缩短了。从2836ms变成了1418ms，刚好缩短一半的时间。

互斥

理论

（1）如上例子中，任务2和任务1对同一个资源进行争抢的时候，任务2会很自觉的谦让，但又会占着CPU不做事。
（2）那么假设，任务2硬气了，不管任务1是否在使用这个资源，我都要和你抢。那样就会出现无法预料的问题，我们将这种对相同资源的争抢称之为互斥。

代码

（1）这里我们需要补充一个知识点，printf函数在使用的时候使用输出缓冲区来提高性能。在多线程环境中，不同线程的 printf 可能会共享同一个输出缓冲区，从而导致输出的不一致性。一个线程可能正在写入缓冲区，而另一个线程同时尝试写入，导致混淆。
（2）那么下面我将展示一个printf打印混淆的例子。

/* USER CODE END Header_StartCubemxTask */
static uint32_t g_num = 0;
static volatile uint8_t g_flag = 0;
static TickType_t g_preTime;
void StartCubemxTask(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartCubemxTask */
	char *CubemxTaskPrintf = (char *)argument;
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
		//互斥
		printf("StartCubemxTask\r\n");		
  }
  /* USER CODE END StartCubemxTask */
}

/* Private application code --------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Application */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	unsigned char temp[1]={ch};
	HAL_UART_Transmit(&huart1,temp,1,0xffff);
	return ch;
}
void StartKeilTask(void *argument)
{
	while(1)
	{
		//互斥
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
		printf("StartKeilTask\r\n");
		HAL_Delay(100);
	}
}
/* USER CODE END Application */

实操

（1）通过上面的代码，我们知道，PC13引脚变化的几次，那么就应该打印几次StartKeilTask的字符串。但是，从仿真结果上来看，我们很明显发现，一直打印的是StartCubemxTask。
（2）这个就很好的说明了printf函数存在线程之间的互斥问题。因此，当我们使用多线程任务调度的时候，一定要切记printf的保护。

参考

（1）B站韦东山：FreeRTOS入门与工程实践