freeRTOS使用互斥锁（Mutex）解决多任务竞争冒险

使用互斥锁（Mutex）解决多任务竞争冒险

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在多任务系统中，多个任务可能同时访问共享的资源，如全局变量，而这样的并发访问可能导致竞争冒险（Race Condition），从而影响程序的正确性和可靠性。为了解决这一问题，FreeRTOS提供了互斥锁（Mutex）机制，用于确保多个任务安全地访问共享资源。

什么是竞争冒险？

竞争冒险是指当多个任务同时尝试修改共享资源时，由于执行顺序的不确定性，导致程序产生意外结果或未定义行为的情况。这可能包括数据损坏、逻辑错误或系统崩溃等问题。在嵌入式系统中，竞争冒险是一种常见的错误，特别是在没有适当同步机制的情况下。

互斥锁的作用

互斥锁是一种同步机制，用于保护共享资源，确保在任何时刻只有一个任务能够访问这些资源。通过使用互斥锁，我们可以在多任务系统中避免竞争冒险，保证对共享资源的安全访问。

FreeRTOS中的互斥锁使用

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在ESP32上使用FreeRTOS，通过互斥锁（Mutex）来解决多任务竞争冒险的方法主要包括创建互斥锁、在任务中使用互斥锁进行保护，以及在任务结束后释放互斥锁。：

首先要包含相应的FreeRTOS头文件，以便访问FreeRTOS提供的函数和数据结构。
头文件freertos/FreeRTOS.h包含了FreeRTOS的一些基本定义和配置，
freertos/task.h 和 freertos/semphr.h 分别包含了任务和信号量相关的定义和函数。

#include <Arduino.h>
#include <freertos/FreeRTOS.h>
#include <freertos/task.h>
#include <freertos/semphr.h>

SemaphoreHandle_t xMutex;  // 互斥锁句柄
int sharedVariable = 0;    // 全局变量

void task(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 获取互斥锁，保护对共享资源的访问
    if (xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY)) {
      sharedVariable++;
      Serial.print("Task ID: ");
      Serial.print((int)pvParameters);
      Serial.print(", Shared Variable = ");
      Serial.println(sharedVariable);

      // 释放互斥锁
      xSemaphoreGive(xMutex);
    }

    vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);

  // 创建互斥锁
  xMutex = xSemaphoreCreateMutex();

  // 创建两个任务，传递任务ID作为参数
  xTaskCreate(task, "Task1", 1024, (void *)1, 1, NULL);
  xTaskCreate(task, "Task2", 1024, (void *)2, 1, NULL);
}

void loop() {
  // 什么都不做
}

这个例子中的关键点有：

1. 创建互斥锁：

   xMutex = xSemaphoreCreateMutex();
   

   在 setup 函数中创建了一个互斥锁。这个函数返回一个 SemaphoreHandle_t 类型的句柄，用于后续对互斥锁的引用。

2. 任务中使用互斥锁：

   if (xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY)) {
     // 访问共享资源
     sharedVariable++;
     // ... 其他共享资源的操作
   
     // 释放互斥锁
     xSemaphoreGive(xMutex);
   }
   

   xSemaphoreTake 函数有两个参数，分别是：

   1. SemaphoreHandle_t xSemaphore：
      这是一个表示信号量（互斥锁在这里可以看作是一种特殊的信号量）的句柄。通过这个句柄，函数知道要操作的是哪个信号量。

   2. TickType_t xTicksToWait：
      这是一个表示等待时间的参数。它决定了任务在获取信号量时的最长等待时间。有以下几种取值：

      • portMAX_DELAY：表示等待时间无限长，任务将一直等待，直到成功获取信号量。
      • 0：表示任务不等待，立即尝试获取信号量，如果获取不到就立即返回。
      • 大于 0：表示任务最多等待的时钟节拍数（tick），如果在指定时间内无法获取到信号量，则函数会超时返回。

      举个例子，xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY) 表示任务要获取 xMutex 互斥锁，如果互斥锁已经被其他任务占用，当前任务将一直等待，直到成功获取到互斥锁。

      而 xSemaphoreTake(xMutex, 0) 表示任务尝试获取 xMutex 互斥锁，如果互斥锁已经被其他任务占用，当前任务将不等待，立即返回。

   **xSemaphoreGive(xMutex);**该函数用于释放互斥锁，使其他等待该锁的任务能够获取到它。

   在任务函数中，使用 xSemaphoreTake 获取互斥锁，然后在临界区内执行对共享资源的操作。最后使用 xSemaphoreGive 释放互斥锁。这确保了在任何时刻只有一个任务能够进入临界区，防止竞争冒险

3. 任务之间共享资源：

   int sharedVariable = 0;  // 全局变量
   

   在任务之间共享的资源，这里是一个简单的全局变量 sharedVariable。

通过这样的方式，你可以确保多个任务之间对共享资源的访问是互斥的，避免了竞争冒险。

串口打印结果：

结语

使用互斥锁是在多任务系统中确保共享资源安全访问的一种重要方法。通过适当地使用互斥锁，我们能够有效地避免竞争冒险，提高系统的稳定性和可靠性。在FreeRTOS中，互斥锁的简单实现使得开发者可以方便地应对多任务并发访问共享资源的挑战。在设计多任务系统时，合理使用互斥锁将是确保系统正确运行的重要一环。