第9章 線程間同步

嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用第9章線程間同步1信號(hào)量2互斥量3事件集45應(yīng)用實(shí)例課后作業(yè)6本章總結(jié)線程間同步概念信號(hào)量工作機(jī)制9.1信號(hào)量信號(hào)量管理方式信號(hào)量應(yīng)用方法本節(jié)小結(jié)9.1.1線程間同步概念線程間同步是指多個(gè)線程通過(guò)特定的機(jī)制來(lái)控制多個(gè)線程的執(zhí)行順序，線程間同步方式有信號(hào)量（semaphore）、互斥量（mutex）、和事件集（event），其核心思想是：在訪問(wèn)臨界區(qū)的時(shí)候只允許一個(gè)(或一類)線程運(yùn)行。9.1.1線程間同步概念電機(jī)1控制線程電機(jī)2控制線程電機(jī)1控制線程電機(jī)2控制線程正轉(zhuǎn)30圈反轉(zhuǎn)10圈反轉(zhuǎn)20圈正轉(zhuǎn)10圈9.1.2信號(hào)量工作機(jī)制信號(hào)量是一種輕型的用于解決線程間同步問(wèn)題的內(nèi)核對(duì)象。信號(hào)量工作示意圖如圖所示，信號(hào)量控制塊是操作系統(tǒng)用于管理信號(hào)量的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用結(jié)構(gòu)體structrt_semaphore表示，指向信號(hào)量控制塊的指針稱為信號(hào)量句柄，用rt_sem_t表示。./rt-thread/include/rtdef.hstructrt_ipc_object{structrt_objectparent;/*繼承自rt_object*/rt_list_tsuspend_thread;/*等待線程隊(duì)列*/};

structrt_semaphore{structrt_ipc_objectparent;/*繼承自ipc_object類*/rt_uint16_tvalue;/*信號(hào)值*/rt_uint16_treserved;/*保留*/};typedefstructrt_semaphore*rt_sem_t;9.1.2信號(hào)量工作機(jī)制rt_semaphore結(jié)構(gòu)體繼承自rt_ipc_object，每個(gè)信號(hào)量都有一個(gè)信號(hào)值和一個(gè)線程等待隊(duì)列，信號(hào)值最大為65535。./rt-thread/include/rtdef.hstructrt_ipc_object{structrt_objectparent;/*繼承自rt_object*/rt_list_tsuspend_thread;/*等待線程隊(duì)列*/};

structrt_semaphore{structrt_ipc_objectparent;/*繼承自ipc_object類*/rt_uint16_tvalue;/*信號(hào)值*/rt_uint16_treserved;/*保留*/};typedefstructrt_semaphore*rt_sem_t;9.1.2信號(hào)量工作機(jī)制線程可以獲取和釋放信號(hào)量，每成功獲取一次信號(hào)量，信號(hào)值減1，每成功釋放一次信號(hào)量，信號(hào)值加1。線程在獲取信號(hào)量時(shí)，首先被添加至線程等待鏈表，當(dāng)輪到其獲取信號(hào)量時(shí)，如果信號(hào)值大于0，線程可以直接獲取到信號(hào)量，如果信號(hào)值為0，則該線程無(wú)法獲取到信號(hào)量，其狀態(tài)由運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為掛起狀態(tài)，直到有其它線程釋放信號(hào)量，信號(hào)值大于0時(shí)，該線程才能獲取到信號(hào)量，由掛起狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)。以生活中的停車場(chǎng)為例來(lái)解釋信號(hào)量的工作機(jī)制：假設(shè)停車場(chǎng)有10個(gè)停車位，但有3個(gè)停車位都是空的，其余7個(gè)車位均被占用。如果此時(shí)駛來(lái)5輛車，則5輛車需排隊(duì)進(jìn)入停車場(chǎng)，其中前3輛車可以依次駛?cè)胪＼噲?chǎng)，占用3個(gè)停車位，這時(shí)10個(gè)停車位均被占用，因此后面的2輛車需繼續(xù)排隊(duì)等待，后續(xù)再駛來(lái)的車也須跟著排隊(duì)等待，不允許駛?cè)胪＼噲?chǎng)。直到停車場(chǎng)內(nèi)有車駛出，空出停車位，等待的車才允許駛?cè)胪＼噲?chǎng)，并占用該空車位。9.1.2信號(hào)量工作機(jī)制以生活中的停車場(chǎng)為例來(lái)解釋信號(hào)量的工作機(jī)制：該例子中，空車位表示信號(hào)值，駛來(lái)的車表示線程，車駛?cè)胪＼噲?chǎng)并占用空停車位表示線程獲取信號(hào)量，空位減1，信號(hào)值減1，當(dāng)空位為0時(shí)，后續(xù)的車要在停車場(chǎng)外等待，即線程掛起。當(dāng)有車輛駛出停車場(chǎng)，表示線程釋放信號(hào)量，空車位加1，信號(hào)值加1，此時(shí)存在空車位，等待的車可以駛?cè)胪＼噲?chǎng)，掛起線程轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)，在獲得CPU使用權(quán)后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，獲取信號(hào)量，即占用該空車位，信號(hào)值再減1，如此循環(huán)。9.1.2信號(hào)量工作機(jī)制9.1.3信號(hào)量管理方式信號(hào)量根據(jù)內(nèi)存管理方式不同，分為靜態(tài)信號(hào)量和動(dòng)態(tài)信號(hào)量，無(wú)論靜態(tài)信號(hào)量還是動(dòng)態(tài)信號(hào)量，都是通過(guò)信號(hào)量控制塊進(jìn)行管理的，相關(guān)函數(shù)在./rt-thread/src/ipc.c文件中實(shí)現(xiàn)，9.1.3信號(hào)量管理方式1.創(chuàng)建和刪除信號(hào)量名稱創(chuàng)建信號(hào)量函數(shù)原型rt_sem_trt_sem_create(constchar*name,rt_uint32_tvalue,rt_uint8_tflag)參數(shù)1name：信號(hào)量名稱參數(shù)2value：信號(hào)量初始值參數(shù)3flag：信號(hào)量標(biāo)志，可取RT_IPC_FLAG_FIFO或RT_IPC_FLAG_PRIO返回值成功返回信號(hào)量句柄，失敗返回RT_NULL名稱刪除信號(hào)量函數(shù)原型rt_err_trt_sem_delete(rt_sem_tsem)參數(shù)sem：信號(hào)量句柄返回值成功返回RT_EOK9.1.3信號(hào)量管理方式2.獲取和釋放信號(hào)量名稱獲取信號(hào)量函數(shù)原型rt_err_trt_sem_take(rt_sem_tsem,rt_int32_ttime)參數(shù)1sem：信號(hào)量句柄參數(shù)2time：線程等待時(shí)間，單位為系統(tǒng)節(jié)拍，可填具體數(shù)值或RT_WAITING_FOREVER(永久等待)返回值成功獲取信號(hào)量返回RT_EOK，超時(shí)未獲得信號(hào)量返回-RT_ETIMEOUT，其它錯(cuò)誤返回-RT_ERROR名稱釋放信號(hào)量函數(shù)原型rt_err_trt_sem_release(rt_sem_tsem)參數(shù)sem：信號(hào)量句柄返回值成功返回RT_EOK9.1.4信號(hào)量應(yīng)用方法信號(hào)量的應(yīng)用有固定的步驟，以動(dòng)態(tài)信號(hào)量為例，包括如下4個(gè)步驟：（1）定義信號(hào)量句柄：rt_sem_tdsem=RT_NULL;（2）主線程創(chuàng)建信號(hào)量：dsem=rt_sem_create("dsem",0,RT_IPC_FLAG_FIFO);（3）線程1#X釋放信號(hào)量：rt_sem_release(dsem);（4）線程2#Y獲取信號(hào)量：rt_sem_take(dsem,RT_WAITING_FOREVER);9.1.4信號(hào)量應(yīng)用方法注意：信號(hào)量句柄為全局變量。信號(hào)量要在線程啟動(dòng)前創(chuàng)建。兩線程同步時(shí)，信號(hào)量初始值為0本節(jié)小結(jié)理解信號(hào)量的概念和工作機(jī)制；掌握信號(hào)量應(yīng)用方法?；コ饬扛拍罨コ饬抗ぷ鳈C(jī)制9.2互斥量互斥量管理方式互斥量應(yīng)用方法本節(jié)小結(jié)9.2.1互斥量概念互斥量又叫相互排斥的信號(hào)量，是一種特殊的二值信號(hào)量。互斥量類似于只有一個(gè)車位的停車場(chǎng)：當(dāng)有一輛車進(jìn)入的時(shí)候，將停車場(chǎng)大門鎖住，其他車輛在外面等候。當(dāng)里面的車出來(lái)時(shí)，將停車場(chǎng)大門打開，下一輛車才可以進(jìn)入。9.2.2互斥量工作機(jī)制互斥量的狀態(tài)只有兩種：0和1。線程可以獲取和釋放互斥量，線程成功獲取互斥量后，該線程擁有互斥量的所有權(quán)，稱為持有線程，某一個(gè)時(shí)刻一個(gè)互斥量只能被一個(gè)線程持有。互斥量只能由持有線程釋放互斥量，其它線程無(wú)權(quán)釋放互斥量。./rt-thread/include/rtdef.hstructrt_mutex{structrt_ipc_objectparent;/*繼承自ipc_object*/rt_uint16_tvalue;/*互斥量的值*/rt_uint8_toriginal_priority;/*持有線程的原始優(yōu)先級(jí)*/rt_uint8_thold;/*持有線程的持有次數(shù)*/structrt_thread*owner;/*當(dāng)前持有互斥量的線程*/};9.2.2互斥量工作機(jī)制互斥量的狀態(tài)只有兩種：0和1。當(dāng)互斥量被某線程持有后，其它線程在獲取互斥量時(shí)會(huì)因獲取不到而被掛起，直到持有線程釋放了互斥量，持有線程一旦釋放互斥量，便失去互斥量的所有權(quán)，其它線程獲取到互斥量，成為新的持有線程，其狀態(tài)由掛起狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)。./rt-thread/include/rtdef.hstructrt_mutex{structrt_ipc_objectparent;/*繼承自ipc_object*/rt_uint16_tvalue;/*互斥量的值*/rt_uint8_toriginal_priority;/*持有線程的原始優(yōu)先級(jí)*/rt_uint8_thold;/*持有線程的持有次數(shù)*/structrt_thread*owner;/*當(dāng)前持有互斥量的線程*/};9.2.2互斥量工作機(jī)制互斥量的狀態(tài)只有兩種：0和1。持有線程可以多次獲取互斥量，而不會(huì)被掛起，持有線程獲取互斥量后要及時(shí)釋放互斥量，以便其它線程能夠獲取到互斥量，需要注意的是持有線程獲取幾次，便應(yīng)該釋放幾次。./rt-thread/include/rtdef.hstructrt_mutex{structrt_ipc_objectparent;/*繼承自ipc_object*/rt_uint16_tvalue;/*互斥量的值*/rt_uint8_toriginal_priority;/*持有線程的原始優(yōu)先級(jí)*/rt_uint8_thold;/*持有線程的持有次數(shù)*/structrt_thread*owner;/*當(dāng)前持有互斥量的線程*/};9.2.2互斥量工作機(jī)制互斥量和信號(hào)量的不同點(diǎn)：互斥量：線程擁有互斥量的所有權(quán)，只能由持有線程釋放；支持遞歸訪問(wèn)；能防止線程優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)。信號(hào)量：線程不具有信號(hào)量的所有權(quán)，可以由任何線程釋放；線程遞歸持有會(huì)形成死鎖；可能發(fā)生線程優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)。./rt-thread/include/rtdef.hstructrt_mutex{structrt_ipc_objectparent;/*繼承自ipc_object*/rt_uint16_tvalue;/*互斥量的值*/rt_uint8_toriginal_priority;/*持有線程的原始優(yōu)先級(jí)*/rt_uint8_thold;/*持有線程的持有次數(shù)*/structrt_thread*owner;/*當(dāng)前持有互斥量的線程*/};9.2.2互斥量工作機(jī)制優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)：當(dāng)高優(yōu)先級(jí)線程A通過(guò)信號(hào)量訪問(wèn)共享資源時(shí)，如果該信號(hào)量已被低優(yōu)先級(jí)線程C持有，而線程C運(yùn)行時(shí)被中等優(yōu)先級(jí)線程B搶占，造成高優(yōu)先級(jí)線程C被較低優(yōu)先級(jí)線程阻塞，實(shí)時(shí)性難以得到保證。9.2.2互斥量工作機(jī)制9.2.2互斥量工作機(jī)制互斥量可以通過(guò)優(yōu)先級(jí)繼承算法解決優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題。優(yōu)先級(jí)繼承：暫時(shí)提高低優(yōu)先級(jí)線程C的優(yōu)先級(jí)至高優(yōu)先級(jí)線程A的優(yōu)先級(jí)，避免線程C被中等優(yōu)先級(jí)線程B搶占，當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級(jí)線程C釋放資源時(shí)，再將其優(yōu)先級(jí)復(fù)原。注意：獲得互斥量后，請(qǐng)盡快釋放互斥量，并且在持有互斥量的過(guò)程中，不得再行更改持有互斥量線程的優(yōu)先級(jí)。9.2.2互斥量工作機(jī)制9.2.3互斥量管理方式9.2.4互斥量應(yīng)用方法互斥量的應(yīng)用有固定的步驟，以動(dòng)態(tài)互斥量為例，包括如下4個(gè)步驟：（1）定義互斥量句柄：rt_mutex_tdmutex=RT_NULL;（2）主線程創(chuàng)建互斥量：dmutex=rt_mutex_create("dmutex",0,RT_IPC_FLAG_FIFO);（3）線程獲取互斥量：rt_mutex_release(dmutex);（4）持有線程釋放互斥量：rt_mutex_take(dmutex,RT_WAITING_FOREVER);9.2.4互斥量應(yīng)用方法注意：互斥量句柄為全局變量?；コ饬恳诰€程啟動(dòng)前創(chuàng)建。誰(shuí)持有誰(shuí)釋放，盡快釋放。本節(jié)小結(jié)理解互斥量的概念和工作機(jī)制；掌握互斥量應(yīng)用方法。事件集概念事件集工作機(jī)制9.3事件集事件集管理方式事件集應(yīng)用方法本節(jié)小結(jié)9.3.1事件集概念事件集是多個(gè)事件的集合，用與實(shí)現(xiàn)一對(duì)多，多對(duì)多的同步。以坐公交為例，在公交站等公交時(shí)可能有以下幾種情況：（1）P1坐公交去某地（線程），只有一種公交可以到達(dá)目的地，等到此公交即可出發(fā)（特定事件喚醒線程）；（2）P1坐公交去某地，有3種公交都可以到達(dá)目的地，等到其中任意一輛即可出發(fā)（任意單個(gè)事件喚醒線程）；（3）P1約另一人P2一起去某地，則P1必須要等“P2到達(dá)公交站”與“公交到達(dá)公交站”（事件）兩個(gè)條件都滿足后，才能出發(fā)（多個(gè)事件同時(shí)發(fā)生才喚醒線程）。9.3.2事件集工作機(jī)制事件集控制塊是操作系統(tǒng)用于管理事件集的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用結(jié)構(gòu)體structrt_event表示，指向事件集控制塊的指針稱為事件集句柄，用rt_event_t表示。./rt-thread/include/rtdef.hstructrt_event{structrt_ipc_objectparent;/*繼承自ipc_object*/rt_uint32_tset;/*事件集*/};typedefstructrt_event*rt_event_t;9.3.2事件集工作機(jī)制每個(gè)線程都擁有一個(gè)事件信息標(biāo)記，它有三個(gè)屬性：RT_EVENT_FLAG_AND（邏輯與），RT_EVENT_FLAG_OR（邏輯或）和RT_EVENT_FLAG_CLEAR（清除標(biāo)記）。9.3.3事件集管理方式9.3.3事件集管理方式1.發(fā)送事件名稱發(fā)送事件函數(shù)原型rt_err_trt_event_send(rt_event_tevent,rt_uint32_tset)參數(shù)1event：事件集句柄參數(shù)2set：發(fā)送一個(gè)或多個(gè)事件的標(biāo)志值返回值成功返回RT_EOK9.3.3事件集管理方式2.接收事件名稱接收事件函數(shù)原型rt_err_trt_event_recv(rt_event_tevent,rt_uint32_tset,rt_uint8_toption,rt_int32_ttimeout,rt_uint32_t*recved)參數(shù)1event：事件集句柄參數(shù)2set：接收線程感興趣的事件參數(shù)3option：接收選項(xiàng)RT_EVENT_FLAG_OR/RT_EVENT_FLAG_AND|RT_EVENT_FLAG_CLEAR參數(shù)4timeout：超時(shí)時(shí)間參數(shù)5recved：指向接收的事件返回值成功返回RT_EOK，超時(shí)返回-RT_ETIMEOUT，其它錯(cuò)誤返回-RT_ERROR9.3.4事件集應(yīng)用方法事件集的應(yīng)用有固定的步驟，以動(dòng)態(tài)事件集為例，包括如下5個(gè)步驟：（1）宏定義事件：#defineE1(1<<1)

#defineE2(1