10、FreeRTOS 同步和互斥

一、同步和互斥的概念

1.1 简单理解

同步：我等你用完厕所，我再用。
互斥：我正在用厕所，你不能进来。

1.2 同步与互斥

同步与互斥经常一起讨论，因为互斥操作可以通过同步实现。举例来说，同事A先写完报表，经理B才能拿去汇报，B等待A完成的过程是同步。A使用会议室时，B也想使用，但必须等待，这就是互斥。经理B等A用完提醒他，这就是用同步实现互斥。

1.3 临界资源

只有一个人能同时使用的资源称为临界资源。任务A、B使用同一个串口打印时，如果同时进行，会混杂，所以需要A用完B再用，这就是互斥的实现。

1.4 新的实例

假设在一家公司里，只有一台3D打印机，两个员工A和B都需要使用这台打印机来打印他们的设计。

• 同步：员工A先将设计文件发送到打印机并开始打印。员工B不能立即开始打印，他必须等待A的打印任务完成。这就是同步，B在等待A的任务完成。
• 互斥：打印机一次只能处理一个打印任务。这意味着当A在使用打印机时，B不能使用。这就是互斥，A和B互斥地访问打印机这个资源。

在这个过程中，打印机是临界资源。我们使用了“等待-通知”的同步机制来实现对打印机的互斥访问。

1.5 改进实现

之前用flag来控制同步和互斥，虽然简单，但不可靠。我们可以使用信号量来替代flag。信号量能更好地管理任务间的同步，确保资源的互斥访问。例如，使用二值信号量来确保打印机一次只能被一个任务使用，当一个任务完成打印后，信号量通知下一个任务可以开始。

二、FreeRTOS的解决方案

• 正确性

• 效率：等待者要进入阻塞状态

• 多种解决方案

三、各类方法对比

能实现同步、互斥的内核方法有：任务通知(task notification)、队列(queue)、事件组(event group)、 信号量(semaphoe)、互斥量(mutex)。

1. 信号量（Semaphore）

• 获取/释放：A获取信号量，用完后释放信号量。
• 阻塞/唤醒：A获取不到信号量则阻塞，B释放信号量并唤醒A。
• 超时：A获取不到信号量则阻塞，并设置超时时间；A要么超时返回，要么在这段时间内因为B释放信号量而被唤醒。
• 传递状态：只能传递数量（状态）。

2. 互斥量（Mutex）

• 获取/释放：A获取互斥量，用完后释放互斥量。
• 阻塞/唤醒：A获取不到互斥量则阻塞，B释放互斥量并唤醒A。
• 超时：A获取不到互斥量则阻塞，并设置超时时间；A要么超时返回，要么在这段时间内因为B释放互斥量而被唤醒。
• 传递状态：只能传递锁的状态。

3. 事件（Event）

• 获取/释放：A等待事件触发，事件触发后继续执行。
• 阻塞/唤醒：A等待事件则阻塞，B触发事件并唤醒A。
• 超时：A等待事件则阻塞，并设置超时时间；A要么超时返回，要么在这段时间内因为B触发事件而被唤醒。
• 传递状态：可以传递状态。

4. 条件变量（Condition Variable）

• 获取/释放：A等待条件满足，条件满足后继续执行。
• 阻塞/唤醒：A等待条件则阻塞，B满足条件并唤醒A。
• 超时：A等待条件则阻塞，并设置超时时间；A要么超时返回，要么在这段时间内因为B满足条件而被唤醒。
• 传递状态：可以传递状态。

5. 记忆技巧

• 信号量：像一个可以计数的量，多个线程可以同时获取，传递的是数量。
• 互斥量：像一个锁，只有一个线程可以持有，传递的是锁的状态。
• 事件：像一个信号灯，通知其他线程某个事件发生了，可以传递状态。
• 条件变量：像一个条件的等待与通知机制，用于等待某个条件的满足，可以传递状态。

使用图形对比如下：

• 队列：
  • 存储和传输任意数据，支持多个数据项。
  • 任务和中断服务程序（ISR）都可以使用。
• 事件组：
  • 每个事件用一bit表示，1表示事件发生，0表示未发生。
  • 适合表示单个或组合事件的状态。
  • 广播效果，可唤醒多个等待任务。
• 信号量：
  • 基于计数值，任务或ISR释放信号量时计数值加1，获得时减1。
• 任务通知：
  • 基于任务控制块（TCB）中的数值。
  • 发送时覆盖旧值，需指定接收任务，仅接收任务可获取通知。
• 互斥量：
  • 数值为0或1，用于独占资源。
  • 获得互斥量的任务必须释放互斥量。