FreeRTOS--互斥量

示例源码基于FreeRTOS V9.0.0

互斥量

1. 概述

互斥量用于临界资源的保护，通过互斥量，多个任务对相同资源进行的访问操作是互斥的；

互斥量的核心在于谁上锁，就由谁解锁，这只是约定，FreeRTOS并没有在代码上实现这一点；

互斥量是一种特殊的信号量，也是一种特殊的队列；

使用互斥量，需要开启宏configUSE_MUTEXES；

2. 接口API

2.1 创建互斥量

2.1.1 动态创建

#define pxMutexHolder					pcTail
#define uxQueueType						pcHead
#define queueQUEUE_IS_MUTEX				NULL

#if( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
	#define xSemaphoreCreateMutex() xQueueCreateMutex( queueQUEUE_TYPE_MUTEX )
#endif

#if( ( configUSE_MUTEXES == 1 ) && ( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 ) )

    QueueHandle_t xQueueCreateMutex( const uint8_t ucQueueType )
    {
    Queue_t *pxNewQueue;
    const UBaseType_t uxMutexLength = ( UBaseType_t ) 1, uxMutexSize = ( UBaseType_t ) 0;

        pxNewQueue = ( Queue_t * ) xQueueGenericCreate( uxMutexLength, uxMutexSize, ucQueueType );
        prvInitialiseMutex( pxNewQueue );

        return pxNewQueue;
    }

#endif /* configUSE_MUTEXES */

#if( configUSE_MUTEXES == 1 )

    static void prvInitialiseMutex( Queue_t *pxNewQueue )
    {
        if( pxNewQueue != NULL )
        {
            /* The queue create function will set all the queue structure members
            correctly for a generic queue, but this function is creating a
            mutex.  Overwrite those members that need to be set differently -
            in particular the information required for priority inheritance. */
            pxNewQueue->pxMutexHolder = NULL;
            pxNewQueue->uxQueueType = queueQUEUE_IS_MUTEX;

            /* In case this is a recursive mutex. */
            pxNewQueue->u.uxRecursiveCallCount = 0;

            traceCREATE_MUTEX( pxNewQueue );

            /* Start with the semaphore in the expected state. */
            ( void ) xQueueGenericSend( pxNewQueue, NULL, ( TickType_t ) 0U, queueSEND_TO_BACK );
        }
        else
        {
            traceCREATE_MUTEX_FAILED();
        }
    }

#endif /* configUSE_MUTEXES */

通过使用xSemaphoreCreateMutex()来创建互斥量，使用互斥量，必须开启宏configUSE_MUTEXES；
创建互斥量，本质也是创建队列。它基于队列实现，是一种特殊的队列，队列深度为1，数据项大小为0；
在队列创建之后，需要针对互斥量做一些专用的初始化，它复用pcTail指针作为pxMutexHolder，用来指向当前持有互斥量的任务块（TCB），初始为NULL。复用pcHead指针作为uxQueueType，用来表示队列类型，赋值为queueQUEUE_IS_MUTEX。
初始化后，通过使用xQueueGenericSend()，将队列当前大小设为1，队列满；

2.1.2 静态创建

 #if( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
	#define xSemaphoreCreateMutexStatic( pxMutexBuffer ) xQueueCreateMutexStatic( queueQUEUE_TYPE_MUTEX, ( pxMutexBuffer ) )
#endif /* configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION */

#if( ( configUSE_MUTEXES == 1 ) && ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) )

    QueueHandle_t xQueueCreateMutexStatic( const uint8_t ucQueueType, StaticQueue_t *pxStaticQueue )
    {
    Queue_t *pxNewQueue;
    const UBaseType_t uxMutexLength = ( UBaseType_t ) 1, uxMutexSize = ( UBaseType_t ) 0;

        /* Prevent compiler warnings about unused parameters if
        configUSE_TRACE_FACILITY does not equal 1. */
        ( void ) ucQueueType;

        pxNewQueue = ( Queue_t * ) xQueueGenericCreateStatic( uxMutexLength, uxMutexSize, NULL, pxStaticQueue, ucQueueType );
        prvInitialiseMutex( pxNewQueue );

        return pxNewQueue;
    }

#endif /* configUSE_MUTEXES */

通过使用xQueueCreateMutexStatic静态创建互斥量，需要开启宏configUSE_MUTEXES和configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION；
创建队列深度为1，数据项大小为0，初始化同动态创建，区别在于队列的创建接口使用xQueueGenericCreateStatic，队列空间pxStaticQueue需要在外部自行创建；

2.2 删除互斥量

#define vSemaphoreDelete( xSemaphore ) vQueueDelete( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ) )

需注意，不能在任务持有信号量的时候使用vSemaphoreDelete接口删除信号量！！！

2.3 获取互斥量

#define xSemaphoreTake( xSemaphore, xBlockTime )		xQueueGenericReceive( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), NULL, ( xBlockTime ), pdFALSE )

使用xSemaphoreTake获取互斥量，实际使用的是队列的接收接口xQueueGenericReceive；

获取互斥量时，如果互斥量未被其他任务持有（pxQueue->uxMessagesWaiting > 0），则更新pxMutexHolder，指向当前任务块。代码如下：

pvTaskIncrementMutexHeldCount返回当前任务块指针，其实现定义在task.c

#if ( configUSE_MUTEXES == 1 )

	void *pvTaskIncrementMutexHeldCount( void )
	{
		/* If xSemaphoreCreateMutex() is called before any tasks have been created
		then pxCurrentTCB will be NULL. */
		if( pxCurrentTCB != NULL )
		{
			( pxCurrentTCB->uxMutexesHeld )++;
		}

		return pxCurrentTCB;
	}

#endif /* configUSE_MUTEXES */

获取互斥量，如果互斥量被其他任务持有（pxQueue->uxMessagesWaiting == 0，队列为空），此时pxQueue->pxMutexHolder != NULL，让持有互斥量的任务继承当前任务的优先级（当前任务优先级高于持有互斥量的任务）。代码如下：

vTaskPriorityInherit实现优先级继承功能，定义在task.c

2.4 释放互斥量

#define semGIVE_BLOCK_TIME					( ( TickType_t ) 0U )
#define xSemaphoreGive( xSemaphore )		xQueueGenericSend( ( QueueHandle_t ) ( xSemaphore ), NULL, semGIVE_BLOCK_TIME, queueSEND_TO_BACK )

使用xSemaphoreGive释放互斥量，实际使用的是队列的发送接口xQueueGenericSend，阻塞时间为0，即接口不会阻塞；

xQueueGenericSend调用了prvCopyDataToQueue，接口内对于互斥量，会取消优先级继承，恢复原优先级。代码如下：

xTaskPriorityDisinherit实现优先级恢复功能，定义在task.c

3. 优先级反转

优先级反转，即高优先级任务运行起来的效果如同低优先级，低优先级比高优先级先运行。

出现优先级反转，可能是如下场景：

任务H和任务M处于挂起状态，等待某一事件发生，任务L正在运行；
某时刻任务L想要访问共享资源，因此它先获得资源信号量；
任务L获得信号量后开始使用共享资源；
任务H比任务L优先级高，H等待的事件发生后抢占了L的CPU；
任务H开始运行；
任务H运行过程中需要使用任务L正在使用的资源，由于资源正在被L占用，H只能挂起，等待L释放信号量；
任务L继续运行；
任务M比任务L优先级高，M等待的事件发生后抢占了L的CPU；
任务M运行，运行结束后，将CPU使用权归还L；
10.任务L继续运行；
11.任务L完成工作释放信号量，而高优先级任务H正在等待这个信号量，因此任务切换；
12.任务H得到信号量并继续运行；

上述场景，任务H的优先级实际降到了任务L的优先级水平，任务H一直等待直到任务L释放信号量，而任务M抢占了任务L，使得任务H的情况更加恶化，这样相当于任务M的优先级高于了任务H，导致优先级反转。

4. 优先级继承

上述任务L由于优先级太低，而导致被其他任务抢占无法运行，即使它持有了信号量，也依旧会被抢占。如果能把L的优先级提高到H一样，让它能更快运行，更快地释放信号量，优先级反转的问题即可得到解决；

优先级继承，即当持有互斥量的任务由于优先级低而无法运行，高优先级任务试图获取互斥量而阻塞时，它会将自身优先级赋予低优先级的任务（将优先级继承下去），以使其能尽快得到运行，当其运行结束释放互斥量后，恢复原有优先级。

互斥量的内部实现了优先级的提升和恢复，见xSemaphoreTake和xSemaphoreGive的分析；

优先级继承不能完全消除优先级反转的问题，只是尽可能地降低优先级反转的影响；

5. 与信号量的区别

信号量存在优先级反转问题，互斥量有优先级继承，而信号量没有；

互斥量不能在中断内使用，信号量可以（因为优先级继承的特性，不能在中断内使用，只能在任务中）；

使用场景的差异，信号量用于解决同步，互斥量用于解决竞争。信号量用于同步，主要任务间和中断间同步；互斥量用于互锁，用于保护同时只能有一个任务访问的资源，为资源上一把锁。

参考链接

优先级翻转与互斥信号量
 FreeRTOS的信号量和互斥量

posted @ 2023-12-17 16:40 流翎阅读(91) 评论(0) 编辑收藏举报

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