FreeRTOS学习笔记（5）——互斥量

一、头文件

#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"

二、互斥量

2.1 基本概念

互斥量又称互斥信号量（本质是信号量），是一种特殊的二值信号量，它和信号量不同的是，它支持互斥量所有权、递归访问以及防止优先级翻转的特性，用于实现对临界资源的独占式处理。 任意时刻互斥量的状态只有两种，开锁或闭锁。当互斥量被任务持有时，该互斥量处于闭锁状态，这个任务获得互斥量的所有权。当该任务释放这个互斥量时，该互斥量处于开锁状态，任务失去该互斥量的所有权。当一个任务持有互斥量时，其他任务将不能再对该互斥量进行开锁或持有。持有该互斥量的任务也能够再次获得这个锁而不被挂起，这就是递归访问，也就是递归互斥量的特性，这个特性与一般的信号量有很大的不同，在信号量中，由于已经不存在可用的信号量，任务递归获取信号量时会发生主动挂起任务最终形成死锁。

如果想要用于实现同步（任务之间或者任务与中断之间），二值信号量或许是更好的选择，虽然互斥量也可以用于任务与任务、任务与中断的同步，但是互斥量更多的是用于保护资源的互锁。

用于互锁的互斥量可以充当保护资源的令牌，当一个任务希望访问某个资源时，它必须先获取令牌。当任务使用完资源后，必须还回令牌，以便其它任务可以访问该资源。是不是很熟悉，在我们的二值信号量里面也是一样的，用于保护临界资源，保证多任务的访问井然有序。当任务获取到信号量的时候才能开始使用被保护的资源，使用完就释放信号量，下一个任务才能获取到信号量从而可用使用被保护的资源。但是信号量会导致的另一个潜在问题，那就是任务优先级翻转。 而 FreeRTOS 提供的互斥量可以通过优先级继承算法，可以降低优先级翻转问题产生的影响，所以，用于临界资源的保护一般建议使用互斥量。

2.2 运作机制

用互斥量处理不同任务对临界资源的同步访问时，任务想要获得互斥量才能进行资源访问，如果一旦有任务成功获得了互斥量，则互斥量立即变为闭锁状态，此时其他任务会因为获取不到互斥量而不能访问这个资源，任务会根据用户自定义的等待时间进行等待，直到互斥量被持有的任务释放后，其他任务才能获取互斥量从而得以访问该临界资源，此时互斥量再次上锁，如此一来就可以确保每个时刻只有一个任务正在访问这个临界资源，保证了临界资源操作的安全性。

2.3 互斥量与递归互斥量

• 互斥量更适合于可能会引起优先级翻转的情况。
• 递归互斥量更适用于任务可能会多次获取互斥量的情况下。这样可以避免同一任务多次递归持有而造成死锁的问题。

三、相关API说明

3.1 xSemaphoreCreateMutex

用于创建一个互斥量，并返回一个互斥量句柄。

函数	#define xSemaphoreCreateMutex() xQueueCreateMutex( queueQUEUE_TYPE_MUTEX )
参数	无
返回值	互斥量句柄

要想使用该函数必须在 FreeRTOSConfig.h 中把 configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 定义为 1 来使能。

同时必须在 FreeRTOSConfig.h 中把 configUSE_MUTEXES 定义为 1 来使能。

3.2 xSemaphoreCreateRecursiveMutex

用于创建一个递归互斥量，不是递归的互斥量由函数 xSemaphoreCreateMutex() 或 xSemaphoreCreateMutexStatic()创建，且只能被同一个任务获取一次，如果同一个任务想再次获取则会失败。递归信号量则相反，它可以被同一个任务获取很多次，获取多少次就需要释放多少次。递归信号量与互斥量一样，都实现了优先级继承机制，可以减少优先级反转的反生。

函数	#define xSemaphoreCreateRecursiveMutex() xQueueCreateMutex( queueQUEUE_TYPE_RECURSIVE_MUTEX )
参数	无
返回值	递归互斥量句柄

要想使用该函数必须在 FreeRTOSConfig.h 中把 configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 定义为 1 来使能。

同时必须在 FreeRTOSConfig.h 中把 configUSE_RECURSIVE_MUTEXES 定义为 1 来使能。

3.3 vSemaphoreDelete

用于删除一个信号量，包括二值信号量，计数信号量，互斥量和递
归互斥量。如果有任务阻塞在该信号量上，那么不要删除该信号量。

函数	void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore )
参数	xSemaphore： 信号量句柄
返回值	无

3.4 xSemaphoreTake

用于获取信号量，不带中断保护。获取的信号量对象可以是二值信号量、计数信号量和互斥量，但是递归互斥量并不能使用这个 API 函数获取。

函数	xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xBlockTime )
参数	xSemaphore： 信号量句柄 xBlockTime： 等待信号量可用的最大超时时间，单位为 tick（即系统节拍周期）。如果宏 INCLUDE_vTaskSuspend 定义为 1 且形参 xTicksToWait 设置为 portMAX_DELAY ，则任务将一直阻塞在该信号量上（即没有超时时间）
返回值	成功返回 pdTRUE，否则返回 errQUEUE_EMPTY

3.5 xSemaphoreTakeRecursive

用于获取递归互斥量的宏，与互斥量的获取函数一样，xSemaphoreTakeRecursive()也是一个宏定义，它最终使用现有的队列机制，实际执行的函数是 xQueueTakeMutexRecursive() 。 获取递归互斥量之前必须由 xSemaphoreCreateRecursiveMutex() 这个函数创建。要注意的是该函数不能用于获取由函数 xSemaphoreCreateMutex() 创建的互斥量。

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函数	#define xSemaphoreTakeRecursive( xMutex, xBlockTime ) xQueueTakeMutexRecursive( ( xMutex ), ( xBlockTime ) )
参数	xMutex： 信号量句柄 xBlockTime： 如果不是持有互斥量的任务去获取无效的互斥量，那么任务将进行等待用户指定超时时间，单位为 tick（即系统节拍周期）。如果宏 INCLUDE_vTaskSuspend 定义为 1 且形参 xTicksToWait 设置为portMAX_DELAY ，则任务将一直阻塞在该递归互斥量上（即没有超时时间）
返回值	成功返回 pdTRUE，否则返回 errQUEUE_EMPTY

要想使用该函数必须在 FreeRTOSConfig.h 中把configUSE_RECURSIVE_MUTEXES 定义为 1 来使能。

3.6 xSemaphoreGive

用于释放信号量的宏。释放的信号量对象必须是已经被创建的，可以用于二值信号量、计数信号量、互斥量的释放，但不能释放由函数 xSemaphoreCreateRecursiveMutex() 创建的递归互斥量。此外该函数不能在中断中使用。

函数	xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore )
参数	xSemaphore： 信号量句柄
返回值	成功返回 pdTRUE，否则返回 pdFALSE

3.7 xSemaphoreGiveRecursive

用于释放一个递归互斥量。已经获取递归互斥量的任务可以重复获取该递归互斥量。使用 xSemaphoreTakeRecursive() 函数成功获取几次递归互斥量，就要使用 xSemaphoreGiveRecursive() 函数返还几次，在此之前递归互斥量都处于无效状态，别的任务就无法获取该递归互斥量。使用该函数接口时，只有已持有互斥量所有权的任务才能释放它，每释放一该递归互斥量，它的计数值就减 1。当该互斥量的计数值为 0 时（即持有任务已经释放所有的持有操作），互斥量则变为开锁状态，等待在该互斥量上的任务将被唤醒。如果任务的优先级被互斥量的优先级翻转机制临时提升，那么当互斥量被释放后，任务的优先级将恢复为原本设定的优先级。

函数	#define xSemaphoreGiveRecursive( xMutex ) xQueueGiveMutexRecursive( ( xMutex ) )
参数	xMutex ： 信号量句柄
返回值	成功返回 pdTRUE，否则返回 pdFALSE

要想使用该函数必须在 FreeRTOSConfig.h 中把configUSE_RECURSIVE_MUTEXES 定义为 1 来使能。

四、示例

/* FreeRTOS 头文件 */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h"
/* 开发板硬件 bsp 头文件 */
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_usart.h"
#include "bsp_key.h"
/**************************** 任务句柄 ********************************/
/*
* 任务句柄是一个指针，用于指向一个任务，当任务创建好之后，它就具有了一个任务句柄
* 以后我们要想操作这个任务都需要通过这个任务句柄，如果是自身的任务操作自己，那么
* 这个句柄可以为 NULL。
*/
static TaskHandle_t AppTaskCreate_Handle = NULL;/* 创建任务句柄 */
static TaskHandle_t LowPriority_Task_Handle = NULL;/* LowPriority_Task 任务句柄 */
static TaskHandle_t MidPriority_Task_Handle = NULL;/* MidPriority_Task 任务句柄 */
static TaskHandle_t HighPriority_Task_Handle = NULL;/* HighPriority_Task 任务句柄 */
 
/***************************** 内核对象句柄 *****************************/
/*
* 信号量，消息队列，事件标志组，软件定时器这些都属于内核的对象，要想使用这些内核
* 对象，必须先创建，创建成功之后会返回一个相应的句柄。实际上就是一个指针，后续我
* 们就可以通过这个句柄操作这些内核对象。
*
* 内核对象说白了就是一种全局的数据结构，通过这些数据结构我们可以实现任务间的通信，
* 任务间的事件同步等各种功能。至于这些功能的实现我们是通过调用这些内核对象的函数
* 来完成的
*
*/
SemaphoreHandle_t MuxSem_Handle = NULL;

static void AppTaskCreate(void);/* 用于创建任务 */ 
static void LowPriority_Task(void* pvParameters);/* LowPriority_Task 任务实现 */
static void MidPriority_Task(void* pvParameters);/* MidPriority_Task 任务实现 */
static void HighPriority_Task(void* pvParameters);/* HighPriority_Task 任务实现 */

static void BSP_Init(void);/* 用于初始化板载相关资源 */

int main(void)
{
    
    
    BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为 pdPASS */

    /* 开发板硬件初始化 */
    BSP_Init();
    /* 创建 AppTaskCreate 任务 */
    xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )AppTaskCreate,/* 任务入口函数 */
                          (const char* )"AppTaskCreate",/* 任务名字 */
                          (uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
                          (void* )NULL,/* 任务入口函数参数 */
                          (UBaseType_t )1, /* 任务的优先级 */
                          (TaskHandle_t*)&AppTaskCreate_Handle);/* 任务控制块指针 */
    /* 启动任务调度 */
    if (pdPASS == xReturn)
    {
    
    
        vTaskStartScheduler(); /* 启动任务，开启调度 */
    }
    else
    {
    
    
        return -1;
    } 

    while (1); /* 正常不会执行到这里 */
}

/***********************************************************************
* @ 函数名 ： AppTaskCreate
* @ 功能说明： 为了方便管理，所有的任务创建函数都放在这个函数里面
* @ 参数 ： 无
* @ 返回值 ： 无
***************************************************************/
static void AppTaskCreate(void)
{
    
    
    BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为 pdPASS */
  
    taskENTER_CRITICAL(); //进入临界区
   
    /* 创建 MuxSem */ 
    MuxSem_Handle = xSemaphoreCreateMutex();
    if (NULL != MuxSem_Handle) 
    {
    
    
        printf("MuxSem_Handle 互斥量创建成功!\r\n"); 
    }

    xReturn = xSemaphoreGive( MuxSem_Handle );//给出互斥量
  
    /* 创建 LowPriority_Task 任务 */
    xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )LowPriority_Task,/* 任务入口函数 */
                          (const char* )"LowPriority_Task",/* 任务名字 */
                          (uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
                          (void* )NULL, /* 任务入口函数参数 */
                          (UBaseType_t )2, /* 任务的优先级 */
                          (TaskHandle_t* )&LowPriority_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
    if (pdPASS == xReturn)
    {
    
    
        printf("创建 LowPriority_Task 任务成功!\r\n");
    }
  
    /* 创建 MidPriority_Task 任务 */
    xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )MidPriority_Task,/* 任务入口函数 */
                          (const char* )"MidPriority_Task",/* 任务名字 */
                          (uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
                          (void* )NULL, /* 任务入口函数参数 */
                          (UBaseType_t )2, /* 任务的优先级 */
                          (TaskHandle_t* )&MidPriority_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
    if (pdPASS == xReturn)
    {
    
    
        printf("创建 MidPriority_Task 任务成功!\r\n");
    }

    /* 创建 HighPriority_Task 任务 */
    xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )HighPriority_Task,/* 任务入口函数 */
                          (const char* )"HighPriority_Task",/* 任务名字 */
                          (uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
                          (void* )NULL, /* 任务入口函数参数 */
                          (UBaseType_t )2, /* 任务的优先级 */
                          (TaskHandle_t* )&HighPriority_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
    if (pdPASS == xReturn)
    {
    
    
        printf("创建 HighPriority_Task 任务成功!\r\n");
    }

    vTaskDelete(AppTaskCreate_Handle); //删除 AppTaskCreate 任务
    
    taskEXIT_CRITICAL(); //退出临界区
}

/**********************************************************************
* @ 函数名 ： LowPriority_Task
* @ 功能说明： LowPriority_Task 任务主体
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
********************************************************************/
static void LowPriority_Task(void* parameter) 
{
    
     
    static uint32_t i; 
    BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为 pdPASS */ 
    while (1) 
    {
    
     
        printf("LowPriority_Task 获取信号量\n"); 
        //获取互斥量 MuxSem,没获取到则一直等待 
        xReturn = xSemaphoreTake(MuxSem_Handle,/* 互斥量句柄 */ 
                                portMAX_DELAY); /* 等待时间 */ 
        if (pdTRUE == xReturn) 
        {
    
    
            printf("LowPriority_Task Runing\n\n"); 
        }

        for (i=0; i<2000000; i++) 
        {
    
     //模拟低优先级任务占用互斥量 
            taskYIELD();//发起任务调度 
        } 

        printf("LowPriority_Task 释放信号量!\r\n"); 
        xReturn = xSemaphoreGive( MuxSem_Handle );//给出互斥量 

        LED1_TOGGLE; 

        vTaskDelay(1000); 
    }
} 

/**********************************************************************
* @ 函数名 ： MidPriority_Task
* @ 功能说明： MidPriority_Task 任务主体
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
********************************************************************/
static void MidPriority_Task(void* parameter) 
{
    
     
    while (1) 
    {
    
     
        printf("MidPriority_Task Runing\n"); 
        vTaskDelay(1000); 
    } 
}

/**********************************************************************
* @ 函数名 ： HighPriority_Task
* @ 功能说明： HighPriority_Task 任务主体
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
********************************************************************/
static void HighPriority_Task(void* parameter) 
{
    
     
    BaseType_t xReturn = pdTRUE;/* 定义一个创建信息返回值，默认为 pdPASS */ 
    while (1) 
    {
    
     
        printf("HighPriority_Task 获取信号量\n"); 
        //获取互斥量 MuxSem,没获取到则一直等待 
        xReturn = xSemaphoreTake(MuxSem_Handle,/* 互斥量句柄 */ 
                                portMAX_DELAY); /* 等待时间 */ 
        if (pdTRUE == xReturn) 
        {
    
    
            printf("HighPriority_Task Runing\n"); 
        }
        LED1_TOGGLE; 
  
        printf("HighPriority_Task 释放信号量!\r\n"); 
        xReturn = xSemaphoreGive( MuxSem_Handle );//给出互斥量  
   
        vTaskDelay(1000); 
    }
} 

/***********************************************************************
* @ 函数名 ： BSP_Init
* @ 功能说明： 板级外设初始化，所有板子上的初始化均可放在这个函数里面
* @ 参数 ：
* @ 返回值 ： 无
*********************************************************************/
static void BSP_Init(void)
{
    
    
    /*
    * STM32 中断优先级分组为 4，即 4bit 都用来表示抢占优先级，范围为：0~15
    * 优先级分组只需要分组一次即可，以后如果有其他的任务需要用到中断，
    * 都统一用这个优先级分组，千万不要再分组，切忌。
    */
    NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_4 );
   
    /* LED 初始化 */
    LED_GPIO_Config();
  
    /* 串口初始化 */
    USART_Config();
   
    /* 按键初始化 */
    Key_GPIO_Config();     
}

---

• 由 Leung 写于 2020 年 11 月 23 日

• 参考：野火FreeRTOS视频与PDF教程