第八讲 IPC之信号量

IPC

一、进程（线程）之间的通信（Internal Process Communication, IPC）

　　在嵌入式系统中运行的代码主要包括线程和ISR,在他们的运行过程中，他们的运行步骤有时需要同步（按照预定的先后次序运行），他们访问的资源有时需要互斥（一个时刻只允许一个线程访问资源），他们之间有时也要彼此交换数据。这些需求，有的是因为应用需求，有的是多线程编程模型带来的需求。

　　操作系统必须提供相应的机制来完成这些功能，我们把这些机制统称为进（线）程间通信（IPC），RT-Thread中的IPC机制包括信号量、互斥量、事件、邮箱、消息队列五种。

　　通过IPC机制，我们可以协调多个线程（包括ISR）默契的工作，从而共同完成一个整项工作。

二、信号量工作机制

信号量是一种轻型的用于解决线程件同步问题的内核对象，线程可以获取或者释放它，从而达到同步或互斥的目的。

信号量的工作机制如上图所示，每个信号量对象都有一个信号量值和一个线程等待队列，信号量的值对应信号量对象的实例数目（该信号量表示的资源的数目），假如信号量的value值是5，表示还有5个信号量实例（资源）可以被申请使用，当该value==0时，再申请该信号量的线程就会被挂起再该信号量的等待队列上，等待可用的信号量实例。

三、信号量控制块

用于管理和映射一个信号量对象的数据结构

struct rt_semaphore
{
　　struct rt_ipc_object parent; /**< inherit from ipc_object */

　　rt_uint16_t value; /**< value of semaphore. */
};
typedef struct rt_semaphore *rt_sem_t;//信号量控制块指针

定义静态信号量：struct rt_semaphore static_sem;

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定义动态信号量： rt_sem_t dynamic_sem;//定义一个信号量控制块指针，之后可以通过动态创建的方法创建一个信号量控制块，并将信号量控制块指针返回赋值给该指针。

四、信号量操作API函数

RT-Thread中，关于信号量操作的API函数如下

#ifdef RT_USING_SEMAPHORE
/*
 * semaphore interface
 */
rt_err_t rt_sem_init(rt_sem_t    sem,
                     const char *name,
                     rt_uint32_t value,
                     rt_uint8_t  flag);
rt_err_t rt_sem_detach(rt_sem_t sem);
rt_sem_t rt_sem_create(const char *name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag);
rt_err_t rt_sem_delete(rt_sem_t sem);

rt_err_t rt_sem_take(rt_sem_t sem, rt_int32_t time);
rt_err_t rt_sem_trytake(rt_sem_t sem);
rt_err_t rt_sem_release(rt_sem_t sem);
rt_err_t rt_sem_control(rt_sem_t sem, int cmd, void *arg);
#endif

1.初始化与脱离（静态初始化一个已经静态定义的一个信号量对象）

rt_err_t rt_sem_init(rt_sem_t    sem,//之前定义好的信号量控制块
                     const char *name,//名字
                     rt_uint32_t value,//信号量value初始化值
                     rt_uint8_t  flag);//获取信号量的线程等待队列的排队顺序。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//RT_IPC_FLAG_FIF0,先进先出；RT_IPC_FLAG_PRIO,根据优先级
rt_err_t rt_sem_detach(rt_sem_t sem);//将信号量对象从内核管理对象中脱离

2.创建与删除（动态的方法创建一个信号量，并返回信号量控制块指针；将信号量从内核管理对象中删除）

rt_sem_t rt_sem_create(const char *name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag);
rt_err_t rt_sem_delete(rt_sem_t sem);

3.获取信号量（用于线程或者ISR中，申请一个信号量，并获取对应资源，并将信号量value值减1，当value值为0时，线程会挂起进入线程等待队列）

rt_err_t rt_sem_take(rt_sem_t sem, rt_int32_t time);//time表示时间等待参数，time*10ms，RT_WAITTING_FORVER=-1
rt_err_t rt_sem_trytake(rt_sem_t sem);

4.释放信号量（用于线程或者ISR中，释放一个信号量，并释放对应资源，并将信号量value值加1）

rt_err_t rt_sem_release(rt_sem_t sem);

五、应用实例代码

  1 /*
  2  * 程序清单：信号量例程
  3  *
  4  * 该例程创建了一个动态信号量，初始化两个线程，线程1在count每计数10次时，
  5  * 发送一个信号量，线程2在接收信号量后，对number进行加1操作
  6  */
  7 #include <rtthread.h>
  8 
  9 #define THREAD_PRIORITY         25
 10 #define THREAD_TIMESLICE        5
 11 
 12 /* 指向信号量的指针 */
 13 static rt_sem_t dynamic_sem = RT_NULL;
 14 
 15 ALIGN(RT_ALIGN_SIZE)
 16 static char thread1_stack[1024];
 17 static struct rt_thread thread1;
 18 static void rt_thread1_entry(void *parameter)
 19 {
 20     static rt_uint8_t count = 0;
 21   
 22     while(1)
 23     {
 24         if(count <= 100)
 25         {
 26             count++;           
 27         }
 28         else
 29             return; 
 30         
 31         /* count每计数10次，就释放一次信号量 */
 32          if(0 == (count % 10))
 33         {
 34             rt_kprintf("t1 release a dynamic semaphore.\n" ); 
 35             rt_sem_release(dynamic_sem);            
 36         }
 37     }
 38 }
 39 
 40 ALIGN(RT_ALIGN_SIZE)
 41 static char thread2_stack[1024];
 42 static struct rt_thread thread2;
 43 static void rt_thread2_entry(void *parameter)
 44 {
 45     static rt_err_t result;
 46     static rt_uint8_t number = 0;
 47     while(1)
 48     {
 49         /* 永久方式等待信号量，获取到信号量，则执行number自加的操作 */
 50         result = rt_sem_take(dynamic_sem, RT_WAITING_FOREVER);
 51         if (result != RT_EOK)
 52         {        
 53             rt_kprintf("t2 take a dynamic semaphore, failed.\n");
 54             rt_sem_delete(dynamic_sem);
 55             return;
 56         }
 57         else
 58         {      
 59             number++;             
 60             rt_kprintf("t2 take a dynamic semaphore. number = %d\n" ,number);                        
 61         }
 62     }   
 63 }
 64 
 65 /* 信号量示例的初始化 */
 66 int semaphore_sample()
 67 {
 68     /* 创建一个动态信号量，初始值是0 */
 69     dynamic_sem = rt_sem_create("dsem", 0, RT_IPC_FLAG_FIFO);
 70     if (dynamic_sem == RT_NULL)
 71     {
 72         rt_kprintf("create dynamic semaphore failed.\n");
 73         return -1;
 74     }
 75     else
 76     {
 77         rt_kprintf("create done. dynamic semaphore value = 0.\n");
 78     }
 79 
 80     rt_thread_init(&thread1,
 81                    "thread1",
 82                    rt_thread1_entry,
 83                    RT_NULL,
 84                    &thread1_stack[0],
 85                    sizeof(thread1_stack), 
 86                    THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
 87     rt_thread_startup(&thread1);
 88                    
 89     rt_thread_init(&thread2,
 90                    "thread2",
 91                    rt_thread2_entry,
 92                    RT_NULL,
 93                    &thread2_stack[0],
 94                    sizeof(thread2_stack), 
 95                    THREAD_PRIORITY-1, THREAD_TIMESLICE);
 96     rt_thread_startup(&thread2);
 97 
 98     return 0;
 99 }
100 /* 导出到 msh 命令列表中 */
101 MSH_CMD_EXPORT(semaphore_sample, semaphore sample);