第11章 信号量(semaphore)

前面介绍的队列(queue)可以用于传输数据：在任务之间、任务和中断之间。

消息队列用于传输多个数据，但是有时候我们只需要传递状态，这个状态值需要用一个数值表示，比如：

• 卖家：做好了1个包子！做好了2个包子！做好了3个包子！
• 买家：买了1个包子，包子数量减1
• 这个停车位我占了，停车位减1
• 我开车走了，停车位加1

在这种情况下我们只需要维护一个数值，使用信号量效率更高、更节省内存 本章涉及如下内容：

• 怎么创建、删除信号量
• 怎么发送、获得信号量
• 什么是计数型信号量？什么是二进制信号量？

11.1 信号量的特性

11.1.1 信号量的常规操作

信号量这个名字很恰当：

• 信号：起通知作用
• 量：还可以用来表示资源的数量
  • 当"量"没有限制时，它就是"计数型信号量"(Counting Semaphores)
  • 当"量"只有0、1两个取值时，它就是"二进制信号量"(Binary Semaphores)
• 支持的动作："give"给出资源，计数值加1；"take"获得资源，计数值减1

计数型信号量的典型场景是：

• 计数：事件产生时"give"信号量，让计数值加1；处理事件时要先"take"信号量，就是获得信号量，让计数值减1。
• 资源管理：要想访问资源需要先"take"信号量，让计数值减1；用完资源后"give"信号量，让计数值加1。

信号量的"give"、"take"双方并不需要相同，可以用于生产者-消费者场合：

• 生产者为任务A、B，消费者为任务C、D
• 一开始信号量的计数值为0，如果任务C、D想获得信号量，会有两种结果：
  • 阻塞：买不到东西咱就等等吧，可以定个闹钟(超时时间)
  • 即刻返回失败：不等
• 任务A、B可以生产资源，就是让信号量的计数值增加1，并且把等待这个资源的顾客唤醒
• 唤醒谁？谁优先级高就唤醒谁，如果大家优先级一样就唤醒等待时间最长的人

二进制信号量跟计数型的唯一差别，就是计数值的最大值被限定为1。

11.1.2 信号量跟队列的对比

差异列表如下：

队列	信号量
可以容纳多个数据， 创建队列时有2部分内存: 队列结构体、存储数据的空间	只有计数值，无法容纳其他数据。 创建信号量时，只需要分配信号量结构体
生产者：没有空间存入数据时可以阻塞	生产者：用于不阻塞，计数值已经达到最大时返回失败
消费者：没有数据时可以阻塞	消费者：没有资源时可以阻塞

11.1.3 两种信号量的对比

信号量的计数值都有限制：限定了最大值。如果最大值被限定为1，那么它就是二进制信号量；如果最大值不是1，它就是计数型信号量。

差别列表如下：

二进制信号量	技术型信号量
被创建时初始值为0	被创建时初始值可以设定
其他操作是一样的	其他操作是一样的

11.2 信号量函数

使用信号量时，先创建、然后去添加资源、获得资源。使用句柄来表示一个信号量。

11.2.1 创建

使用信号量之前，要先创建，得到一个句柄；使用信号量时，要使用句柄来表明使用哪个信号量。 对于二进制信号量、计数型信号量，它们的创建函数不一样：

	二进制信号量	计数型信号量
动态创建	xSemaphoreCreateBinary 计数值初始值为0	xSemaphoreCreateCounting
	vSemaphoreCreateBinary(过时了) 计数值初始值为1
静态创建	xSemaphoreCreateBinaryStatic	xSemaphoreCreateCountingStatic

创建二进制信号量的函数原型如下：

/* 创建一个二进制信号量，返回它的句柄。
 * 此函数内部会分配信号量结构体 
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
    SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void );

/* 创建一个二进制信号量，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 xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );

创建计数型信号量的函数原型如下：

/* 创建一个计数型信号量，返回它的句柄。
 * 此函数内部会分配信号量结构体 
 * uxMaxCount: 最大计数值
 * uxInitialCount: 初始计数值
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
    SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount);

/* 创建一个计数型信号量，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
 * uxMaxCount: 最大计数值
 * uxInitialCount: 初始计数值
 * pxSemaphoreBuffer: StaticSemaphore_t结构体指针
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
    SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic( UBaseType_t uxMaxCount, 
                                                 UBaseType_t uxInitialCount, 
                                                 StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );

11.2.2 删除

对于动态创建的信号量，不再需要它们时，可以删除它们以回收内存。

vSemaphoreDelete可以用来删除二进制信号量、计数型信号量，函数原型如下：

/*
 * xSemaphore: 信号量句柄，你要删除哪个信号量
 */
    void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

11.2.3 give/take

二进制信号量、计数型信号量的give、take操作函数是一样的。这些函数也分为2个版本：给任务使用，给ISR使用。列表如下：

	在任务中使用	在ISR中使用
give	xSemaphoreGive	xSemaphoreGiveFromISR
take	xSemaphoreTake	xSemaphoreTakeFromISR

xSemaphoreGive的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

xSemaphoreGive函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，释放哪个信号量
返回值	pdTRUE表示成功, 如果二进制信号量的计数值已经是1，再次调用此函数则返回失败； 如果计数型信号量的计数值已经是最大值，再次调用此函数则返回失败

pxHigherPriorityTaskWoken的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(
                        SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                        BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                    );

xSemaphoreGiveFromISR函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，释放哪个信号量
pxHigherPriorityTaskWoken	如果释放信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态， 则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
返回值	pdTRUE表示成功, 如果二进制信号量的计数值已经是1，再次调用此函数则返回失败； 如果计数型信号量的计数值已经是最大值，再次调用此函数则返回失败

xSemaphoreTake的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTake(
                   SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                   TickType_t xTicksToWait
               );

xSemaphoreTake函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，获取哪个信号量
xTicksToWait	如果无法马上获得信号量，阻塞一会： 0：不阻塞，马上返回 portMAX_DELAY: 一直阻塞直到成功 其他值: 阻塞的Tick个数，可以使用*pdMS_TO_TICKS()*来指定阻塞时间为若干ms
返回值	pdTRUE表示成功

xSemaphoreTakeFromISR的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(
                        SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                        BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                    );

xSemaphoreTakeFromISR函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，获取哪个信号量
pxHigherPriorityTaskWoken	如果获取信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态， 则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
返回值	pdTRUE表示成功

11.3 示例13: 使用计数型信号量

本节代码为：1101_semaphore_count，主看看applications/nwatch/game2.c。

3俩小车要进城，但是通行证只有2张，进城后就可以交还同行证，其他车辆就可以得到通行证。这个场景使用计数型信号量。

一开始，创建了一个信号量，它的最大值为3，初始值为2，代码如下（第151行）：

142 void car_game(void)
143 {
144     int x;
145     int i, j;
146     unsigned short tmpLcdBufGame[8];
147     g_framebuffer = LCD_GetFrameBuffer(&g_xres, &g_yres, &g_bpp);
148     draw_init();
149     draw_end();
150
151     g_xSemTicks = xSemaphoreCreateCounting(3, 2);

汽车任务代码如下：

89 static void CarTask(void *params)
90 {
91      struct car *pcar = params;
92      struct ir_data idata;
93
94      /* 创建自己的队列 */
95      QueueHandle_t xQueueIR = xQueueCreate(10, sizeof(struct ir_data));
96
97      /* 注册队列 */
98      RegisterIRQueueHandle(xQueueIR);
99
100     /* 显示汽车 */
101     ShowCar(pcar);
102
103     /* 获得信号量 */
104     xSemaphoreTake(g_xSemTicks, portMAX_DELAY);
105
106     while (1)
107     {
/* 省略 */
131                             if (pcar->x == g_xres - CAR_LENGTH)
132                             {
133                                     /* 释放信号量 */
134                                     xSemaphoreGive(g_xSemTicks);
135                                     vTaskDelete(NULL);
136                             }
137                     }
138             }
139     }
140 }

第104行：获得信号量，如果不成功则阻塞。

第131~134行：汽车行驶到最右边后，释放信号量。如果有其他汽车任务在等待这个信号量，它就会被唤醒。

烧录、运行程序后，现象为：car1、car2一起往右行驶，任何一辆到达右边后car3才开始往右行驶。

11.4 示例14: 二进制信号量

本节代码为：1102_semaphore_binary，主要看applications/nwatch/game2.c。

3俩小车要进城，但是通行证只有1张，进城后就可以交还同行证，其他车辆就可以得到通行证。这个场景使用二进制信号量。

跟1101_semaphore_count相比，只是在创建信号量时的代码不一样，如下：

142 void car_game(void)
143 {
144     int x;
145     int i, j;
146     unsigned short tmpLcdBufGame[8];
147     g_framebuffer = LCD_GetFrameBuffer(&g_xres, &g_yres, &g_bpp);
148     draw_init();
149     draw_end();
150
151     //g_xSemTicks = xSemaphoreCreateCounting(1, 1);
152     g_xSemTicks = xSemaphoreCreateBinary();
153     xSemaphoreGive(g_xSemTicks);  /* 对于二进制信号量,它的最大值是1,后面两次give无效 */
154     xSemaphoreGive(g_xSemTicks);
155     xSemaphoreGive(g_xSemTicks);

第152行：创建二进制信号量，它的初始值是1。需要使用第153行，设置它的值为1。二进制信号量的值最大就是1，所以第154、155行无效果。

实现现象：car1、car2、car3依次运行，前面的车行驶到最右边时，下一辆车才开始运行。

11.5 示例15: 优先级反转

本节代码为：1103_semaphore_priority_inversion，主要看applications/nwatch/game2.c。 使用信号量时，会出现优先级反转的现象，比如：

① car1_task优先级最低，car2_task优先级为中，car3_task优先级最高 ② car1_task先运行，获得的信号量，它可以运行：car1往右行驶 ③ car2_task接着运行，它不需要获得信号量，它的优先级高于car1_task，所以它可以往右行驶 ④ car3_task最后运行，它也需要获得信号量：但是car1_task占用了信号量，car3_task阻塞。

在上述场景中，car2_task的优先级高于car1_task，car2_task没放弃运行的话，car1_task无法运行。car1_task无法运行，就无法释放信号量。最终：优先级最高的car3_task反而无法运行。这就是优先级反转：小职员（car1_task）手上拿着钥匙，中层领导（car2_task）毫不相让，使得小职员的工作迟迟无法完成无法交还钥匙，使得大老板（car3_task）很无语：我需要钥匙才能工作，但是你们太不懂事了。

本程序使用不同的函数创建任务，这3个任务的优先级不同，代码如下：

343     xTaskCreate(Car1Task, "car1_task", 1024, &g_cars[0], 1, NULL);
344     xTaskCreate(Car2Task, "car2_task", 1024, &g_cars[1], 2, NULL);
345     xTaskCreate(Car3Task, "car3_task", 1024, &g_cars[2], 3, NULL);
346 }

car1_task的代码如下：

89 static void Car1Task(void *params)
90 {
91      struct car *pcar = params;
92      struct ir_data idata;
93
94      /* 创建自己的队列 */
95      QueueHandle_t xQueueIR = xQueueCreate(10, sizeof(struct ir_data));
96
97      /* 注册队列 */
98      RegisterIRQueueHandle(xQueueIR);
99
100     /* 显示汽车 */
101     ShowCar(pcar);
102
103     /* 获得信号量 */
104     xSemaphoreTake(g_xSemTicks, portMAX_DELAY);
105

第104行获取信号量，成功后就继续执行后续代码往右行驶。

car1_task的优先级最低，为何是它获得信号量？因为：car2_task、car3_task都故意阻塞了一阵子，让car1_task新运行。

car2_task代码如下：

142 static void Car2Task(void *params)
143 {
144     struct car *pcar = params;
145     struct ir_data idata;
146
147     vTaskDelay(1000);
148
149     /* 创建自己的队列 */
150     QueueHandle_t xQueueIR = xQueueCreate(10, sizeof(struct ir_data));
151
152     /* 注册队列 */
153     RegisterIRQueueHandle(xQueueIR);
154
155     /* 显示汽车 */
156     ShowCar(pcar);
157
158     /* 获得信号量 */
159     //xSemaphoreTake(g_xSemTicks, portMAX_DELAY);
/* 省略 */
187                             if (pcar->x == g_xres - CAR_LENGTH)
188                             {
189                                     /* 释放信号量 */
190                                     //xSemaphoreGive(g_xSemTicks);
191                                     vTaskDelete(NULL);
192                             }

第159行被注释掉了，它无需获得信号量，就可以让car2往右行驶。在车子运行过程中，我们R_BSP_SoftwareDelay来延时，而不使用vTaskDelay，就是让car2_task不阻塞，是的car1_task无法运行。car2行驶到最后边后，任务自杀，car1_task才能再次运行。

car3_task代码如下：

199 static void Car3Task(void *params)
200 {
201     struct car *pcar = params;
202     struct ir_data idata;
203
204
205     /* 创建自己的队列 */
206     QueueHandle_t xQueueIR = xQueueCreate(10, sizeof(struct ir_data));
207
208     /* 注册队列 */
209     RegisterIRQueueHandle(xQueueIR);
210
211     /* 显示汽车 */
212     ShowCar(pcar);
213
214     vTaskDelay(2000);
215
216     /* 获得信号量 */
217     xSemaphoreTake(g_xSemTicks, portMAX_DELAY);

跟Car1Task函数相比，就是多了第214行：它在开头故意阻塞一阵子，一遍car1_task能先获得信号量。

第217行：获得信号量，不成功，进入阻塞状态。

实验现象：car1新运行一阵子，car2接着运行，car2运行到终点后car1继续运行，car1运行到终点后car3才开始运行。

如果修改car2_task的代码，把第191行的“vTaskDelete(NULL);”去掉，那么即使car2运行到了终点，car1和car3也不能运行。