同步与互斥(一)

目录

?一、举例理解

二、概念

三、互斥锁

四、互斥量的适用场合

五、互斥量函数

5.1 创建

5.2 其他函数

六、互斥量的基本使用

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?一、举例理解

??????????一句话理解同步与互斥：我等你用完厕所，我再用厕所。
????????什么叫同步？就是：哎哎哎，我正在用厕所，你等会。
????????什么叫互斥？就是：哎哎哎，我正在用厕所，你不能进来。
????????同步与互斥经常放在一起讲，是因为它们之的关系很大，“互斥”操作可以使用“同步”来实现。我“等”你用完厕所，我再用厕所。这不就是用“同步”来实现“互斥”吗？

????????再举一个例子。在团队活动里，同事A先写完报表，经理B才能拿去向领导汇报。经理B必须等同事A完成报表，AB之间有依赖，B必须放慢脚步，被称为同步。在团队活动中，同事A已经使用会议室了，经理B也想使用，即使经理B是领导，他也得等着，这就叫互斥。经理B跟同事A说：你用完会议室就提醒我。这就是使用"同步"来实现"互斥"。

????????假设有A、B两人早起抢厕所，A先行一步占用了；B慢了一步，于是就眯一会；当A用完后叫醒B，B也就愉快地上厕所了。
????????在这个过程中，A、B是互斥地访问“厕所”，“厕所”被称之为临界资源。我们使用了“休眠-唤醒”的同步机制实现了“临界资源”的“互斥访问”。
????????同一时间只能有一个人使用的资源，被称为临界资源。

????????比如任务A、B都要使用串口来打印，串口就是临界资源。如果A、B同时使用串口，那么打印出来的信息就是A、B混杂，无法分辨。所以使用串口时，应该是这样：A用完，B再用；B用完，A再用。

二、概念

????????现代操作系统基本都是多任务操作系统，即同时有大量可调度实体在运行。在多任务操作系统中，同时运行的多个任务可能：

• 都需要访问/使用同一种资源；
• 多个任务之间有依赖关系，某个任务的运行依赖于另一个任务。

【同步】：

??是指散步在不同任务之间的若干程序片断，它们的运行必须严格按照规定的某种先后次序来运行，这种先后次序依赖于要完成的特定的任务。最基本的场景就是：两个或两个以上的进程或线程在运行过程中协同步调，按预定的先后次序运行。比如 A 任务的运行依赖于 B 任务产生的数据。

【互斥】：

??是指散步在不同任务之间的若干程序片断，当某个任务运行其中一个程序片段时，其它任务就不能运行它们之中的任一程序片段，只能等到该任务运行完这个程序片段后才可以运行。最基本的场景就是：一个公共资源同一时刻只能被一个进程或线程使用，多个进程或线程不能同时使用公共资源。

怎么独享厕所？自己开门上锁，完事了自己开锁。
????????你当然可以进去后，让别人帮你把门：但是，命运就掌握在别人手上了。
使用队列、信号量，都可以实现互斥访问，以信号量为例：
????????信号量初始值为1，任务A想上厕所，"take"信号量成功，它进入厕所，任务B也想上厕所，"take"信号量不成功，等待，任务A用完厕所，"give"信号量；轮到任务B使用。

这需要有2个前提：
????????任务B很老实，不撬门(一开始不"give"信号量)
????????没有坏人：别的任务不会"give"信号量
????????可以看到，使用信号量确实也可以实现互斥访问，但是不完美。

使用互斥量可以解决这个问题，互斥量的名字取得很好：
????????量：值为0、1
????????互斥：用来实现互斥访问
????????它的核心在于：谁上锁，就只能由谁开锁。
????????很奇怪的是，FreeRTOS的互斥锁，并没有在代码上实现这点：即使任务A获得了互斥锁，任务B竟然也可以释放互斥锁。谁上锁、谁释放：只是约定。

三、互斥锁

????????在多任务操作系统中，同时运行的多个任务可能都需要使用同一种资源。这个过程有点类似于，公司部门里，我在使用着打印机打印东西的同时（还没有打印完），别人刚好也在此刻使用打印机打印东西，如果不做任何处理的话，打印出来的东西肯定是错乱的。
??在线程里也有这么一把锁——互斥锁（mutex），互斥锁是一种简单的加锁的方法来控制对共享资源的访问，互斥锁只有两种状态,即上锁( lock )和解锁( unlock )。

多线程的同步与互斥（互斥锁、条件变量、读写锁、自旋锁、信号量）_条件变量和互斥锁-CSDN博客https://blog.csdn.net/daaikuaichuan/article/details/82950711【互斥锁的特点】：

????????1.?原子性：把一个互斥量锁定为一个原子操作，这意味着操作系统（或pthread函数库）保证了如果一个线程锁定了一个互斥量，没有其他线程在同一时间可以成功锁定这个互斥量；

????????2. 唯一性：如果一个线程锁定了一个互斥量，在它解除锁定之前，没有其他线程可以锁定这个互斥量；

????????3. 非繁忙等待：如果一个线程已经锁定了一个互斥量，第二个线程又试图去锁定这个互斥量，则第二个线程将被挂起（不占用任何cpu资源），直到第一个线程解除对这个互斥量的锁定为止，第二个线程则被唤醒并继续执行，同时锁定这个互斥量。

【互斥锁的操作流程如下】：

1. 在访问共享资源后临界区域前，对互斥锁进行加锁；

2. 在访问完成后释放互斥锁导上的锁；

3. 对互斥锁进行加锁后，任何其他试图再次对互斥锁加锁的线程将会被阻塞，直到锁被释放。

四、互斥量的适用场合

????????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。
????????这种现象很常见：
4.1 访问外设：刚举的串口例子

4.2?读、修改、写操作导致的问题
????????对于同一个变量，比如int a ，如果有两个任务同时写它就有可能导致问题。
????????对于变量的修改，C代码只有一条语句，比如： a=a+8; ，它的内部实现分为3步：读出原值、修改、写入。

????????我们想让任务A、B都执行add_a函数，a的最终结果是1+8+8=17 。
????????假设任务A运行完代码①，在执行代码②之前被任务B抢占了：现在任务A的R0等于1。
????????任务B执行完add_a函数，a等于9。
????????任务A继续运行，在代码②处R0仍然是被抢占前的数值1，执行完②③的代码，a等于9，这跟预期的17不符合。

4.3 对变量的非原子化访问
????????修改变量、设置结构体、在16位的机器上写32位的变量，这些操作都是非原子的。也就是它们的操作过程都可能被打断，如果被打断的过程有其他任务来操作这些变量，就可能导致冲突。

4.4?函数重入
????????"可重入的函数"是指：多个任务同时调用它、任务和中断同时调用它，函数的运行也是安全的。可重入的函数也被称为"线程安全"(thread safe)。
????????每个任务都维持自己的栈、自己的CPU寄存器，如果一个函数只使用局部变量，那么它就是线程安全的。
????????函数中一旦使用了全局变量、静态变量、其他外设，它就不是"可重入的"，如果改函数正在被调用，就必须阻止其他任务、中断再次调用它。

????????上述问题的解决方法是：任务A访问这些全局变量、函数代码时，独占它，就是上个锁。这些全局变量、函数代码必须被独占地使用，它们被称为临界资源。

??????? 互斥量也被称为互斥锁，使用过程如下：
????????互斥量初始值为1
????????任务A想访问临界资源，先获得并占有互斥量，然后开始访问
????????任务B也想访问临界资源，也要先获得互斥量：被别人占有了，于是阻塞
????????任务A使用完毕，释放互斥量；任务B被唤醒、得到并占有互斥量，然后开始访问临界资源
????????任务B使用完毕，释放互斥量
????????正常来说：在任务A占有互斥量的过程中，任务B、任务C等等，都无法释放互斥量。
????????但是FreeRTOS未实现这点：任务A占有互斥量的情况下，任务B也可释放互斥量。

五、互斥量函数

5.1 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，函数原型如下：

/* 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

5.2 其他函数

????????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);

六、互斥量的基本使用

????????“信号量用在多线程多任务同步的，一个线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的线程，别的线程再进行某些动作（大家都在semtake的时候，就阻塞在 哪里）。而互斥锁是用在多线程多任务互斥的，一个线程占用了某一个资源，那么别的线程就无法访问，直到这个线程unlock，其他的线程才开始可以利用这个资源。比如对全局变量的访问，有时要加锁，操作完了，在解锁。有的时候锁和信号量会同时使用的”
????????也就是说，信号量不一定是锁定某一个资源，而是流程上的概念，比如：有A,B两个线程，B线程要等A线程完成某一任务以后再进行自己下面的步骤，这个任务 并不一定是锁定某一资源，还可以是进行一些计算或者数据处理之类。而线程互斥量则是“锁住某一资源”的概念，在锁定期间内，其他线程无法对被保护的数据进 行操作。在有些情况下两者可以互换。

使用互斥量时有如下特点：
????????刚创建的互斥量可以被成功"take"
????????"take"互斥量成功的任务，被称为"holder"，只能由它"give"互斥量；别的任务"give"不成功
在ISR中不能使用互斥量
????????本程序创建2个发送任务：故意发送大量的字符。可以做2个实验：
????????使用互斥量：可以看到任务1、任务2打印的字符串没有混杂在一起
????????不使用互斥量：任务1、任务2打印的字符串混杂在一起

/* 互斥量句柄 */
SemaphoreHandle_t xMutex;
int main( void )
{
    prvSetupHardware();
    /* 创建互斥量 */
    xMutex = xSemaphoreCreateMutex( );
    if( xMutex != NULL )
    {
        /* 创建2个任务: 都是打印
        * 优先级相同
        */
        xTaskCreate( vSenderTask, "Sender1", 1000, (void *)1, 1, NULL );
        xTaskCreate( vSenderTask, "Sender2", 1000, (void *)2, 1, NULL );
        /* 启动调度器 */
        vTaskStartScheduler();
    }
    else
    {
        /* 无法创建互斥量 */
    }
    /* 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;
}

static void vSenderTask( void *pvParameters )
{
    const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 10UL );
    int cnt = 0;
    int task = (int)pvParameters;
    int i;
    char c;
    /* 无限循环 */
    for( ;; )
    {
        /* 获得互斥量: 上锁 */
        xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY);
        printf("Task %d use UART count: %d, ", task, cnt++);
        c = (task == 1 ) ? 'a' : 'A';
        for (i = 0; i < 26; i++)
            printf("%c", c + i);
        printf("\r\n");
        /* 释放互斥量: 开锁 */
        xSemaphoreGive(xMutex);
        vTaskDelay(xTicksToWait);
    }
}

可以做两个实验：vSenderTask函数的for循环中xSemaphoreTake和xSemaphoreGive这2句代码保留、不保留
保留：实验现象如下图左边，任务1、任务2的打印信息没有混在一起
不保留：实验现象如下图右边，打印信息混杂在一起