文章目录
- 简介
- 互斥
- 同步
- 数据结构
- 信号量初始化
- Z_SEM_INITIALIZER
- int k_sem_init (struct k_sem *sem, unsigned int initial_count, unsigned int limit)
- 获取信号量
- int k_sem_take(struct k_sem *sem, k_timeout_t timeout)
- 释放信号量
- void k_sem_give(struct k_sem *sem)
- 获取计数值
- unsigned int k_sem_count_get(struct k_sem *sem)
- 重置信号量
- void k_sem_reset(struct k_sem *sem)
- 示例
简介
- 在 Zephyr 中，信号量（semaphore）是一种用于实现任务之间同步和互斥的同步原语。
互斥
- 互斥（Mutual Exclusion）：当多个任务需要访问共享资源时，信号量可以确保在同一时刻只有一个任务能够访问该资源。这可以防止多个任务同时修改共享资源，从而避免数据不一致和竞态条件的发生。
- 例如，假设有两个任务 A 和 B 都需要访问一个共享的数据结构。通过使用信号量，我们可以确保在任务 A 访问数据结构时，任务 B 会被阻塞，直到任务 A 完成对数据结构的访问。这样就可以避免任务 A 和任务 B 同时修改数据结构，导致数据不一致的问题。
同步
- 同步（Synchronization）：信号量还可以用于协调多个任务之间的执行顺序。当一个任务需要等待另一个任务完成某个操作时，可以使用信号量来实现这种等待关系。
- 例如，假设有两个任务 A 和 B，任务 A 需要等待任务 B 完成某个操作后才能继续执行。通过使用信号量，我们可以让任务 A 在等待信号量时阻塞，直到任务 B 完成操作并释放信号量。这样就实现了任务 A 和任务 B 之间的同步。
数据结构
struct k_sem {_wait_q_t wait_q;unsigned int count;unsigned int limit;_POLL_EVENT;SYS_PORT_TRACING_TRACKING_FIELD(k_sem)
};
- wait_q 等待队列，当线程调用 k_sem_take 函数时，如果当前计数值为 0 且等待时间不为 0，调用线程将会被添加到等待队列中。
- count 信号量当前计数值。
- limit 信号量最大计数值。
- 除此之外，如果使能了CONFIG_POLL，还会在每个对象中增加一个双向链表，调用 k_poll 时，如果当前count为0，等待时间不为0，会把调用者加入到链表中进入等待，直到超时或者信号量不为 0 时被唤醒。
#ifdef CONFIG_POLL
#define _POLL_EVENT_OBJ_INIT(obj) \.poll_events = SYS_DLIST_STATIC_INIT(&obj.poll_events),
#define _POLL_EVENT sys_dlist_t poll_events
#else
#define _POLL_EVENT_OBJ_INIT(obj)
#define _POLL_EVENT
#endif
信号量初始化
- 信号量的初始化包含三个步骤：
- 初始化等待队列
- 设置信号量初始值
- 设置信号量最大值
- 需要注意的是，初始值必须小于等于最大值，最大值不能是0。
Z_SEM_INITIALIZER
#define Z_SEM_INITIALIZER(obj, initial_count, count_limit) \{ \.wait_q = Z_WAIT_Q_INIT(&obj.wait_q), \.count = initial_count, \.limit = count_limit, \_POLL_EVENT_OBJ_INIT(obj) \}
int k_sem_init (struct k_sem *sem, unsigned int initial_count, unsigned int limit)
int z_impl_k_sem_init(struct k_sem *sem, unsigned int initial_count,unsigned int limit)
{/** Limit cannot be zero and count cannot be greater than limit*/CHECKIF(limit == 0U || limit > K_SEM_MAX_LIMIT || initial_count > limit) {SYS_PORT_TRACING_OBJ_FUNC(k_sem, init, sem, -EINVAL);return -EINVAL;}sem->count = initial_count;sem->limit = limit;SYS_PORT_TRACING_OBJ_FUNC(k_sem, init, sem, 0);z_waitq_init(&sem->wait_q);
#if defined(CONFIG_POLL)sys_dlist_init(&sem->poll_events);
#endifz_object_init(sem);return 0;
}
获取信号量
int k_sem_take(struct k_sem *sem, k_timeout_t timeout)
int z_impl_k_sem_take(struct k_sem *sem, k_timeout_t timeout)
{int ret = 0;__ASSERT(((arch_is_in_isr() == false) ||K_TIMEOUT_EQ(timeout, K_NO_WAIT)), "");k_spinlock_key_t key = k_spin_lock(&lock);SYS_PORT_TRACING_OBJ_FUNC_ENTER(k_sem, take, sem, timeout);/* 信号量大于0则直接退出并返回0 */if (likely(sem->count > 0U)) {sem->count--;k_spin_unlock(&lock, key);ret = 0;goto out;}/* 信号量等于0，且timeout为0，退出并返回等待超时 */if (K_TIMEOUT_EQ(timeout, K_NO_WAIT)) {k_spin_unlock(&lock, key);ret = -EBUSY;goto out;}SYS_PORT_TRACING_OBJ_FUNC_BLOCKING(k_sem, take, sem, timeout);/* 否则刮起当前线程 */ret = z_pend_curr(&lock, key, &sem->wait_q, timeout);out:SYS_PORT_TRACING_OBJ_FUNC_EXIT(k_sem, take, sem, timeout, ret);return ret;
}
释放信号量
void k_sem_give(struct k_sem *sem)
void z_impl_k_sem_give(struct k_sem *sem)
{k_spinlock_key_t key = k_spin_lock(&lock);struct k_thread *thread;SYS_PORT_TRACING_OBJ_FUNC_ENTER(k_sem, give, sem);thread = z_unpend_first_thread(&sem->wait_q);/* 等待队列中存在等待线程时则直接唤醒等待线程* 如果不存在则需要将技术值加1，如果 poll_events 中不为空，* 需要发送信号唤醒 k_poll 调用者, 然后通过k_sem_take 获取信号量。*/if (thread != NULL) {arch_thread_return_value_set(thread, 0);z_ready_thread(thread);} else {sem->count += (sem->count != sem->limit) ? 1U : 0U;handle_poll_events(sem);}z_reschedule(&lock, key);SYS_PORT_TRACING_OBJ_FUNC_EXIT(k_sem, give, sem);
}
获取计数值
unsigned int k_sem_count_get(struct k_sem *sem)
static inline unsigned int z_impl_k_sem_count_get(struct k_sem *sem)
{return sem->count;
}
- count是一个与总线宽度相同的变量，CPU可以用一条指令获取到计数值，本身是一个原子操作，且没有其他数据与其有关，因此可以直接读取该值获得当前计数值。
重置信号量
void k_sem_reset(struct k_sem *sem)
void z_impl_k_sem_reset(struct k_sem *sem)
{struct k_thread *thread;k_spinlock_key_t key = k_spin_lock(&lock);/* 将等待队列中所有线程唤醒并设置返回值为 -EAGAIN */while (true) {thread = z_unpend_first_thread(&sem->wait_q);if (thread == NULL) {break;}arch_thread_return_value_set(thread, -EAGAIN);z_ready_thread(thread);}/* 同时需要将信号量的值清0 */sem->count = 0;SYS_PORT_TRACING_OBJ_FUNC(k_sem, reset, sem);/* 在开启POLL功能之后，如果调用 k_poll 时信号量为 0 且需要进入等待，* 调用线程并不会被添加到 wait_q 中，* 而是将调用者所使用的 k_poll_event 对象地址放入 sem 中的双向链表 poll_events 中，* 随后切换上下文并进入休眠，直到等待超时或者收到 K_POLL_STATE_SEM_AVAILABLE 信号后，* 会将该线程唤醒，然后再通过 k_sem_take 获取信号量。* 除此之外如果在 k_poll 等待过程中，有线程调用了 k_sem_reset，* 也需要将那些因调用 k_poll 进入等待的线程唤醒，避免因此导致出错。* handle_poll_events 函数则用于发送 K_POLL_STATE_SEM_AVAILABLE 信号。*/handle_poll_events(sem);z_reschedule(&lock, key);
}
- k_sem_reset 用于重置信号量的技术值，重置时需要将等待的线程唤醒，唤醒分为以下两种情况：
- 被挂起的线程调用的是k_sem_take，该线程会被添加到 wait_q 中，唤醒即将所有队列中的线程取出并设置为就绪态。
- 被挂起的线程使用了poll机制，以等待多个IPC事件到来，在这种情况下调用线程不会添加到 wait_q 中，而是将调用者所使用的 k_poll_event 对象放入 poll_events 队列中，如果需要将等待线程唤醒，则需要向 poll_events 中的 k_poll_event 对象发送信号。
示例
在 Zephyr 中，信号量的实现是基于内核对象 k_sem。以下是一个简单的信号量使用示例：
#include <zephyr.h>
#include <kernel.h>
#include <misc/printk.h>K_SEM_DEFINE(my_sem, 0, 1); // 定义一个信号量，初始值为0，最大值为1void taskA(void)
{k_sem_take(&my_sem, K_FOREVER); // 等待信号量printk("Task A is running\n");k_sem_give(&my_sem); // 释放信号量
}void taskB(void)
{printk("Task B is running\n");k_sem_give(&my_sem); // 释放信号量
}void main(void)
{k_thread_spawn(taskA_stack, STACK_SIZE, taskA, NULL, NULL, NULL, PRIORITY, 0, K_NO_WAIT);k_thread_spawn(taskB_stack, STACK_SIZE, taskB, NULL, NULL, NULL, PRIORITY, 0, K_NO_WAIT);
}
在这个示例中，我们定义了一个信号量 my_sem，并在两个任务 taskA 和 taskB 之间使用它来实现同步。任务 A 需要等待任务 B 完成后才能执行。通过使用信号量，我们可以确保任务 A 和任务 B 按照预期的顺序执行。
