线程同步是指多个线程通过某种特定的机制，来控制线程之间的先后执行顺序。
RT-Thread 提供了一种线程同步的方式：信号量（semaphore）、 互斥量（mutex）、和事件集（event）。本篇文章主要介绍信号量相关的内容。
第一：信号量的工作机制
信号量是一种可以用来解决线程间同步问题的内核对象，线程通过获取和释放信号量，来达到同步的目的。
每个信号量对象都有一个信号量值和一个线程等待队列，信号量的值表示信号对象的实例数目或者资源数目；线程等待队列，由等待获取当前信号量的线程按照某种顺序排列而成。
当信号量值为零时，再申请该信号量的线程就会被挂起在该信号量的等待队列上，等待可用的信号量资源。
信号量控制块
信号量控制块是 RT-Thread 用于管理信号量的一个数据结构，信号量控制块的结构体 struct rt_semaphore 定义如下，rt_sem_t 表示信号量的句柄，即指向信号量控制块的指针。
struct rt_semaphore
{
struct rt_ipc_object parent; /* 继承自 ipc_object 类 */
rt_uint16_t value; /* 信号量的值 */
rt_uint16_t reserved; /* 保留域 */
};
/* rt_sem_t 为指向 rt_semaphore 结构体的指针类型 */
typedef struct rt_semaphore *rt_sem_t;
struct rt_semaphore 从 rt_ipc_object 派生而来，由 IPC 容器管理，信号量的最大值为 65535。
结构体struct rt_ipc_object parent 定义如下：
struct rt_object
{
char name[RT_NAME_MAX]; /* 内核对象名称 */
rt_uint8_t type; /* 内核对象类型 */
rt_uint8_t flag; /* 内核对象的参数 */
#ifdef RT_USING_MODULE
void *module_id; /* 应用程序模块 ID */
#endif
rt_list_t list; /* 内核对象管理链表 */
};
struct rt_ipc_object
{
struct rt_object parent; /* 继承自 rt_object */
rt_list_t suspend_thread; /* 挂起的线程链表 */
};
信号量控制块中含有信号量相关的重要参数，在信号量各种状态之间起到纽带的作用。
接下来看看如何对一个信号量进行操作。
第二：管理信号量
RT-Thread 提供了一系列的函数接口，用于对信号量进行操作。包括：
-
创建/初始化信号量
-
获取信号量
-
释放信号量
-
删除/脱离信号量
常用的信号量操作为：创建信号量、获取信号量、释放信号量。下面重点介绍这三种操作。
1. 创建信号量
RT-Thread 创建信号量两种方式：动态创建和静态初始化。
跟其他内核对象类似，动态创建是由内核负责分配信号量控制块，然后对其进行基本的初始化工作。静态方式创建，是由用户负责定义一个信号量控制块结构体变量，然后调用初始化函数对其进行初始化工作。
动态创建信号量的函数接口如下：
rt_sem_t rt_sem_create(const char *name,
rt_uint32_t value,
rt_uint8_t flag)
当调用这个函数时，系统将先从对象管理器中分配一个 semaphore 对象，并初始化这个对象，然后初始化父类 IPC 对象以及与 semaphore 相关的部分。
该函数的各个参数解释如下：
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| name | 信号量名称 |
| value | 信号量的初始值 |
| flag | 创建信号量的标志 |
信号量创建成功，则返回信号量控制块的指针。创建失败，则返回 RT_NULL。
参数 flag 的作用是，当信号量不可用时，多个线程等待的排队方式。这个参数取值有两种：
-
RT_IPC_FLAG_FIFO，先进先出方式。等待信号量的线程按照先进先出的方式排队，先进入的线程将先获得等待的信号量。
-
RT_IPC_FLAG_PRIO，优先级等待方式。等待信号量的线程按照优先级进行排队，优先级高的等待线程将先获得等待的信号量。
静态方式创建信号量，需要先定义一个信号量控制块结构 struct rt_semaphore 类型的变量，然后使用如下函数对其进行初始化：
rt_err_t rt_sem_init(rt_sem_t sem,
const char *name,
rt_uint32_t value,
rt_uint8_t flag)
这个函数参数，除了 sem，其他参数跟动态创建信号量函数 rt_sem_create() 的参数相同。
参数 sem 为信号量控制块的指针，指向用户定义的 struct rt_semaphore 结构变量的地址。
rt_sem_init() 函数的主要作用是，对 sem 指向的信号量控制块进行初始化操作。
该函数的返回值为 RT_EOK。
2. 获取信号量
线程通过获取信号量来获得信号量资源实例，当信号量值大于零时，线程将获得信号量，并且相应的信号量值会减 1。如果信号量的值为零，说明当前信号量资源不可用，线程会获取失败。
RT-Thread 中获取信号量的函数如下：
rt_err_t rt_sem_take (rt_sem_t sem, rt_int32_t time)
参数 sem 表示信号量控制块指针（信号量的句柄）。
参数 time 表示线程等待获取信号量的时间，单位是系统时钟节拍。
调用此函数获取信号量时，如果信号量的值为零，线程将根据 time 参数的情况会有不同的动作：
-
参数值为零，则函数会直接返回。
-
参数值不为零，则会等待设定的时间。
-
参数值为最大时钟节拍数，则会永久等待，直到其他线程或中断释放该信号量。
如果在参数 time 指定的时间内没有获取到信号量，线程将超时返回，返回值为 -RT_ETIMEOUT。
rt_sem_take() 函数返回 RT_EOK，表示成功获得信号量。返回 -RT_ERROR, 表示其他错误。
线程获取信号量不可以用时，且等待时间 time不为零，
3. 释放信号量
释放信号量的系统函数如下：
rt_err_t rt_sem_release(rt_sem_t sem)
参数 sem 表示信号量控制块指针（信号量的句柄）。
释放信号量操作，根据具体情况，会有两种结果：
-
如果有线程等待获取这个信号量时，释放信号量将唤醒等待队列中的第一个线程，由它获取信号量，信号量的值仍然为零。
-
如果没有线程等待获取信号量，则信号量的值将会加 1。
第三：实战演练
绝知此事要躬行。
通过具体的实例，来看看如何使用 RT-Thread 的信号量操作函数。动态创建一个信号量，创建两个线程，一个线程释放信号量，一个线程获取信号量后，执行后续的动作。
#include <rtthread.h>
#define THREAD_PRIORITY 25
#define THREAD_TIMESLICE 5
/* 指向信号量的指针 */
static rt_sem_t dynamic_sem = RT_NULL;
/* 线程1 入口函数 */
static void rt_thread1_entry(void *parameter)
{
static rt_uint8_t count = 0;
while(1)
{
if(count <= 100)
{
count++;
}
else
{
return;
}
/* count每计数 10 次， 就释放一次信号量 */
if(0 == (count % 10))
{
rt_kprintf("thread1 release a dynamic semaphore.\n");
rt_sem_release(dynamic_sem);
}
/* 延迟一会儿 */
rt_thread_delay(10);
}
}
/* 线程2 入口函数 */
static void rt_thread2_entry(void *parameter)
{
static rt_err_t result;
static rt_uint8_t number = 0;
while(1)
{
/* 永久方式等待信号量， 获取到信号量，则执行 number 自加的操作 */
result = rt_sem_take(dynamic_sem, RT_WAITING_FOREVER);
if (result != RT_EOK)
{
rt_kprintf("thread2 take a dynamic semaphore, failed.\n");
rt_sem_delete(dynamic_sem);
return;
}
else
{
number++;
rt_kprintf("thread2 take a dynamic semaphore. number = %d\n" ,number);
}
rt_thread_delay(10);
}
}
int main(void)
{
/* 线程控制块指针 */
rt_thread_t thread1 = RT_NULL;
rt_thread_t thread2 = RT_NULL;
/* 创建一个动态信号量，初始值是 0 */
dynamic_sem = rt_sem_create("dsem", 0, RT_IPC_FLAG_FIFO);
if (dynamic_sem == RT_NULL)
{
rt_kprintf("create dynamic semaphore failed.\n");
return -1;
}
else
{
rt_kprintf("create done. dynamic semaphore value = 0.\n");
}
/* 动态创建线程1 */
thread1 = rt_thread_create("thread1", rt_thread1_entry, RT_NULL,
1024, THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
if(thread1 != RT_NULL)
{
/* 启动线程 */
rt_thread_startup(thread1);
}
/* 动态创建线程2 */
thread2 = rt_thread_create("thread2", rt_thread2_entry, RT_NULL,
1024, THREAD_PRIORITY-1, THREAD_TIMESLICE);
if(thread2 != RT_NULL)
{
/* 启动线程 */
rt_thread_startup(thread2);
}
return 0;
}
线程 1 在 count 计数为 10 的倍数时，释放一个信号量，线程 2 在接收到信号量后，对 number 进行加 1 操作。程序运行结果如下所示：
第四：信号量的几种应用
我们先来看看线程的应用场景。线程可以用来当作资源锁、资源计数、线程间同步、中断与线程同步等。
1. 线程同步
使用信号量进行两个线程之间的同步，信号量的值初始化成 0，表示具备 0 个信号量资源实例；而尝试获得该信号量的线程，将直接在这个信号量上进行等待。
当持有信号量的线程完成它处理的工作时，释放这个信号量，可以把等待在这个信号量上的线程唤醒，让它执行下一部分工作。
这类场合也可以看成把信号量用于工作完成标志：持有信号量的线程完成它自己的工作，然后通知等待该信号量的线程继续下一部分工作。
2. 中断与线程同步
信号量可以用于中断与线程间的同步。例如，一个中断触发后，中断服务程序通知线程进行相应的数据处理。
此时，可以设置信号量的初始值为 0，线程在获取这个信号量时，由于信号量资源不足，线程会挂起直到这个信号量被释放。
当中断触发时，完成某些操作后，释放信号量来唤醒挂起线程，去进行后续的处理。
3. 锁（二值信号量）
信号量在当作锁来使用时，通常将信号量资源个数初始化为 1，表示默认只有一个资源可用。由于信号量的值始终在 1 和 0 之间变化，所以这类信号量也称为二值信号量。
当某个线程访问共享资源时，获得这个信号量。其他线程想要访问这个资源会由于获取不到资源而挂起。这是因为此时这个信号量的值为 0，其他线程获取不到。
当获取信号量的线程处理完毕，释放信号量后，会唤醒挂起队列中的第一个线程而获得资源的访问权限。
4. 资源计数
信号量可以认为是一个递增或递减的计数器，用于记录共享资源可以用的个数。线程访问共享资源时，信号量递减；结束访问后，信号量递增。
需要注意的是信号量的值非负。
第五：其他函数接口介绍
除了上述常用的信号量操作函数，RT-Thread 还提供了其他管理函数，在此简单介绍一下，可以作为了解。
1. 删除信号量
由动态方式创建的信号量，可以用如下函数进行删除：
rt_err_t rt_sem_delete(rt_sem_t sem)
调用这个函数时，系统会删除信号量。如果有线程正在等待该信号量，则会先唤醒这些线程，然后再释放信号量占用的内存资源。
2. 脱离信号量
脱离信号量就是，让信号量对象从内核对象管理器中脱离。适用于通过静态方式初始化的信号量。脱离信号量的函数接口如下：
rt_err_t rt_sem_detach(rt_sem_t sem)
调用该函数后，内核先唤醒所有挂在该信号量等待队列上的线程，然后将该信号从内核对象管理器中脱离。
3. 无等待获取信号量
上面介绍的获取信号量函数 rt_sem_take() 有个等待时间参数，RT-Thread 提供了一种无等待方式获取信号量的函数接口，不用设置等待超时，函数原型如下：
rt_err_t rt_sem_trytake(rt_sem_t sem)
调用此函数获取信号量时，若线程申请的信号量资源不可用，它不会等待该信号量，而是直接返回错误码 -RT_ETIMEOUT。
如果函数返回 RT_EOK，表示成功获取信号量。