06 FreeRTOS 互斥量（mutex）

2024-05-30 01:52
文章标签 互斥 06 freertos mutex

本文主要是介绍06 FreeRTOS 互斥量（mutex），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1、互斥量的使用场景

        用于保护临界资源，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。

        在使用二进制信号量达到互斥的效果的时候，不能保证谁上锁谁解锁的问题。假如A在上锁然后去上厕所，这时B来解锁了，然后C来发现没有锁也来上厕所，那么这时A就曝光了。

        虽然互斥量也不能在代码上解决谁上锁谁解锁的问题，但是它可以解决优先级反转、递归上锁/解锁的问题。

        优先级反转：假设任务A、B、C的优先级分别为1、2、3，因为A先运行去获得了锁，后面C去抢占获得锁时，因为没有锁了所以被阻塞了，这时B运行，加入B运行过程中一直没有放弃CPU资源，这时候A没法执行，不能去放锁，而C此时也一直被阻塞。这就是高优先级的反而不能执行，这种现象就叫优先级反转。

        解决这种可以通过优先级继承，A开始执行，执行过程中去获得这个锁，然后轮到B执行，因为B的优先级比较高，所以B可以抢占A，然后轮到C来执行，C的优先级更高，可以抢占B，C来调用lock的时候，因为锁已经被A拿了，于是C会进入阻塞状态，在C调用lock的时候还会做个优先级继承，将自身的优先级继承给A，A的优先级变成了3，这时候A就可以执行去放锁，放锁之后又轮到C来执行。

        递归上锁：假设在任务A、B中都有上锁和解锁，在任务A执行过程中，去调用任务B，但是在B执行时，锁已经在之前被A获得并且没有释放，这就会造成递归上锁，这时任务A、B会进入阻塞状态，造成死锁。

        解决这种可以通过递归锁，即任务A在持有这个锁的过程中还可以继续去上锁。

2、互斥量函数

2.1 创建

        互斥量是一种特殊的二进制信号量。 使用互斥量时，先创建、然后去获得、释放它。使用句柄来表示一个互斥量。

        创建互斥量的函数有2种：动态分配内存，静态分配内存。

/* 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);

        要想使用互斥量，需要在配置文件FreeRTOSConfig.h中定义：

#define configUSE_MUTEXES 1

 2.2 其它函数

        要注意的是，互斥量不能在ISR中使用。 各类操作函数，比如删除、give/take，跟一般是信号量是一样的。

/** 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
);

2.3 递归锁函数

        递归锁的函数跟一般互斥量的函数名不一样，参数类型一样。

递归锁
一般互斥量
创建
xSemaphoreCreateRecursiveMutex
xSemaphoreCreateMutex
获得
xSemaphoreTakeRecursive
xSemaphoreTake
释放
xSemaphoreGiveRecursive
xSemaphoreGive 
/* 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
);

3、示例代码

3.1 互斥

        要配置一下#define configUSE_MUTEXES 1

static SemaphoreHandle_t xSemUART;void TaskGenericFunction( void * param)
{while(1){		xSemaphoreTake(xSemUART, portMAX_DELAY);	//在使用串口前先take这个信号量printf("%s\r\n", (char *)param);xSemaphoreGive(xSemUART);	//用完释放掉vTaskDelay(1);}	
}//main函数中
xSemUART = xSemaphoreCreateMutex();	//创建互斥量，互斥量初始值是1xTaskCreate(TaskGenericFunction, "Task3", 100, "Task 3 is running", 1, NULL);
xTaskCreate(TaskGenericFunction, "Task4", 100, "Task 4 is running", 1, NULL);

3.2 优先级反转/继承

static volatile uint8_t flagLPTaskRun = 0;
static volatile uint8_t flagMPTaskRun = 0;
static volatile uint8_t flagHPTaskRun = 0;/* 互斥量/二进制信号量句柄 */
SemaphoreHandle_t xLock;static void vLPTask( void *pvParameters )
{const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 10UL );	uint32_t i;char c = 'A';printf("LPTask start\r\n");/* 无限循环 */for( ;; ){	flagLPTaskRun = 1;flagMPTaskRun = 0;flagHPTaskRun = 0;/* 获得互斥量/二进制信号量 */xSemaphoreTake(xLock, portMAX_DELAY);/* 耗时很久 */printf("LPTask take the Lock for long time");for (i = 0; i < 500; i++) {flagLPTaskRun = 1;flagMPTaskRun = 0;flagHPTaskRun = 0;printf("%c", c + i);}printf("\r\n");/* 释放互斥量/二进制信号量 */xSemaphoreGive(xLock);vTaskDelay(xTicksToWait);}
}static void vMPTask( void *pvParameters )
{const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 30UL );	flagLPTaskRun = 0;flagMPTaskRun = 1;flagHPTaskRun = 0;printf("MPTask start\r\n");/* 让LPTask、HPTask先运行 */	vTaskDelay(xTicksToWait);/* 无限循环 */for( ;; ){	flagLPTaskRun = 0;flagMPTaskRun = 1;flagHPTaskRun = 0;}
}static void vHPTask( void *pvParameters )
{const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 10UL );	flagLPTaskRun = 0;flagMPTaskRun = 0;flagHPTaskRun = 1;printf("HPTask start\r\n");/* 让LPTask先运行 */	vTaskDelay(xTicksToWait);/* 无限循环 */for( ;; ){	flagLPTaskRun = 0;flagMPTaskRun = 0;flagHPTaskRun = 1;printf("HPTask wait for Lock\r\n");/* 获得互斥量/二进制信号量 */xSemaphoreTake(xLock, portMAX_DELAY);flagLPTaskRun = 0;flagMPTaskRun = 0;flagHPTaskRun = 1;/* 释放互斥量/二进制信号量 */xSemaphoreGive(xLock);}
}int main( void )
{prvSetupHardware();/* 创建互斥量/二进制信号量 */xLock = xSemaphoreCreateBinary( );xSemaphoreGive(xLock);if( xLock != NULL ){/* 创建3个任务: LP,MP,HP(低/中/高优先级任务)*/xTaskCreate( vLPTask, "LPTask", 1000, NULL, 1, NULL );xTaskCreate( vMPTask, "MPTask", 1000, NULL, 2, NULL );xTaskCreate( vHPTask, "HPTask", 1000, NULL, 3, NULL );/* 启动调度器 */vTaskStartScheduler();}else{/* 无法创建互斥量/二进制信号量 */}/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */return 0;
}

        该程序实现了优先级反转的现象 

        只要将上述程序中的代码做出以下修改即可解决 

int main( void )
{/* 创建互斥量/二进制信号量 *///xLock = xSemaphoreCreateBinary( );//xSemaphoreGive(xLock);xLock = xSemaphoreCreateMutex();    //在这里修改}

3.3 递归锁

        互斥量的本意是：谁持有，就由谁释放。

        但是FreeRTOS并没有实现这一点，Linux也没有，A持有，B也可以释放。

        通过递归锁实现了：谁持有，就由谁释放；递归上锁/解锁。

        设置一个程序，任务四和任务五交替使用串口打印，之后让任务五来偷偷解锁。

void TaskGenericFunction( void * param)
{while(1){		xSemaphoreTake(xSemUART, portMAX_DELAY);	//在使用串口前先take这个信号量printf("%s\r\n", (char *)param);xSemaphoreGive(xSemUART);	//用完释放掉vTaskDelay(1);}	
}void Task5Function( void * param)
{vTaskDelay(10);while(1){while(1){if(xSemaphoreTake(xSemUART, 0) != pdTRUE){xSemaphoreGive(xSemUART);	//放锁}else{break;}}printf("%s\r\n", (char *)param);xSemaphoreGive(xSemUART);	//放锁vTaskDelay(1);}	
}//main函数中
xTaskCreate(TaskGenericFunction, "Task3", 100, "Task 3 is running", 1, NULL);
xTaskCreate(TaskGenericFunction, "Task4", 100, "Task 4 is running", 1, NULL);
xTaskCreate(Task5Function, "Task5", 100, "Task 5 is running", 1, NULL);

        通过结果发现后面串口打印出来的数据乱套了，证明一般的互斥量没有实现谁上锁就由谁来解锁。

        修改上述代码通过递归锁来查看。

        使用递归锁要先定义#define configUSE_RECURSIVE_MUTEXES 1

void TaskGenericFunction( void * param)
{while(1){		xSemaphoreTakeRecursive(xSemUART, portMAX_DELAY);	//在使用串口前先take这个信号量printf("%s\r\n", (char *)param);xSemaphoreGiveRecursive(xSemUART);	//用完释放掉vTaskDelay(1);}	
}void Task5Function( void * param)
{vTaskDelay(10);while(1){while(1){if(xSemaphoreTakeRecursive(xSemUART, 0) != pdTRUE){xSemaphoreGiveRecursive(xSemUART);	//放锁}else{break;}}printf("%s\r\n", (char *)param);xSemaphoreGiveRecursive(xSemUART);	//放锁vTaskDelay(1);}	
}//main函数中
xSemUART = xSemaphoreCreateRecursiveMutex();	//创建递归锁

        通过结果可以看出几个任务都正常的使用串口了，完成了谁上锁就由谁来解锁的问题。

这篇关于06 FreeRTOS 互斥量（mutex）的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/1015251。

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