RT-Thread快速入门-互斥量

引 言 互 斥 量 ， 即 互 斥 信 号 量 （ Mutex， Mutual Exclusion 的 缩 写 ） 。 互 斥 量 的 主 要 作 用 是 对 资 源 实 现 互 斥 访 问 。二 值 信 号 量 也 可 以 实 现 对 资 源 的 互 斥 访 问 ，那 么 为 何 要 引 入 互 斥 量 呢 ？ 互 斥 量 和 信 号 量 有 什 么 不 同 呢 ？ 这 其 中 涉 及 到 两 个 重 要 的 知 识 点 ：  优 先 级 翻 转   优 先 级 继 承  理 解 了 这 两 点 内 容 ， 互 斥 量 也 就 基 本 掌 握 了 。 理 解 互 斥 量 互 斥 量 是 一 种 保 护 共 享 资 源 的 方 法 ，当 一 个 线 程 拥 有 互 斥 量 时 ，可 以 保 护 共 享 资 源 不 被 其 他 线 程 破 坏 。 一 个 线 程 持 有 互 斥 量 时 ，其 他 线 程 不 能 再 持 有 它 ，持 有 该 互 斥 量 的 线 程 也 能 够 再 次 获 得 这 个 互 斥 量 ，而 不 被 挂 起 ，即 互 斥 量 可 以 递 归 持 有 。 对 于 信 号 量 ， 不 支 持 递 归 获 取 ， 若 递 归 获 取 会 形 成 死 锁 。 互 斥 量 可 以 防 止 线 程 优 先 级 翻 转 ，二 值 信 号 量 不 支 持 。那 么 什 么 是 优 先 级 翻 转 呢 ？ 优 先 级 翻 转 问 题 优 先 级 翻 转 通 俗 解 释 ：当 一 个 高 优 先 级 线 程 试 图 通 过 信 号 量 机 制 访 问 共 享 资 源 时 ，如 果 该 信 号 量 已 被 一 个 低 优 先 级 线 程 持 有 ，而 这 个 低 优 先 级 线 程 在 运 行 过 程 中 可 能 又 被 其 它 一 些 中 等 优 先 级 的 线 程 抢 占 ， 因 此 造 成 高 优 先 级 线 程 被 许 多 具 有 较 低 优 先 级 的 线 程 阻 塞 。 举 例 说 明 如 下 图 ： 三 个 线 程 ，优 先 级 由 高 到 低 分 别 为 ：Thread1 > Thread2 > Thread3。 线 程 Thread1 运 行 过 程 中 需 要 访 问 某 个 共 享 资 源 ， 发 现 Thread3 正 在 访 问 ， Thread1 进 入 挂 起 状 态 ， 等 待 Thread3 释 放 共 享 资 源 。 在 Thread3 执 行 过 程 中 ，Thread2 就 绪 ，抢 占 了 Thread3 的 运 行 。等 Thread2 执 行 完 毕 后 ，Thread1 接 着 执 行 ，释 放 共 享 资 源 后 ， Thread1 得 以 继 续 运 行 。 在 这 种 情 况 下 ， 出 现 了 优 先 级 翻 转 的 问 题 ： 线 程 Thread2 优 先 Thread1 执 行 完 毕 ，即 Thread1 需 要 等 待 Thread2 执 行 完 毕 后 才 有 机 会 运 行 ， 这 与 基 于 优 先 级 的 抢 占 式 调 度 正 好 反 了 。 因 此 ，RTOS 引 入 了 互 斥 量 ，用 于 避 免 二 值 信 号 量 使 用 过 程 产 生 的 优 先 级 翻 转 问 题 。 互 斥 量 之 所 以 能 够 防 止 优 先 级 翻 转 问 题 的 发 生 ，是 因 为 在 实 现 过 程 中 采 用 了 优 先 级 继 承 算 法 。 优 先 级 继 承 因 此 ，继 承 优 先 级 的 线 程 避 免 了 系 统 资 源 被 任 何 中 间 优 先 级 的 线 程 抢 占 。 在 上 例 中 ， 最 低 优 先 级 线 程 Thread3 在 拥 有 互 斥 量 过 程 中 ， 会 临 时 将 优 先 级 提 高 到 与 Thread1 的 优 先 级 相 同 ，即 使 线 程 Thread2 达 到 就 绪 状 态 ，也 不 能 够 立 即 执 行 ，需 要 等 待 Thread1 执 行 完 毕 ， 才 具 备 运 行 条 件 。 注 意 ，在 获 得 互 斥 量 后 ，应 该 尽 快 释 放 ，并 在 持 有 互 斥 量 的 过 程 中 ， 不 得 再 更 改 持 有 互 斥 量 线 程 的 优 先 级 。 互 斥 量 控 制 块 RT-Thread 管 理 互 斥 量 的 数 据 结 构 为 互 斥 量 控 制 块 ， 由 结 构 体 struc t rt_mutex 表 示 ， 其 具 体 定 义 如 下 ： 另 外 rt_mutex_t 表 示 的 是 互 斥 量 的 句 柄 ， 也 就 是 指 向 互 斥 量 控 制 块 的 指 针 。 从 面 向 对 象 的 角 度 来 看 ， rt_mutex 对 象 是 从 rt_ipc_object 派 生 而 来 ， 由 IPC 容 器 管 理 。 互 斥 量 的 操 作 在 RT-Thread 中 ， 对 一 个 互 斥 量 的 操 作 包 括 ：  创 建 /初 始 化 互 斥 量   获 取 互 斥 量   释 放 互 斥 量   删 除 /脱 离 互 斥 量  其 中 常 用 的 操 作 无 非 就 是 ：创 建 互 斥 量 、获 取 互 斥 量 、释 放 互 斥 量 。 注 意 ： 互 斥 量 不 能 在 中 断 服 务 程 序 中 使 用 。 1. 创 建 互 斥 量 RT-Thread 中 动 态 创 建 互 斥 量 的 函 数 接 口 如 下 ： 调 用 此 函 数 创 建 一 个 互 斥 量 时 ，内 核 会 自 动 创 建 一 个 互 斥 量 控 制 块 ， 并 从 内 核 对 象 管 理 器 中 分 配 一 个 mutex 对 象 ， 然 后 对 其 初 始 化 。 参 数 name 为 互 斥 量 的 名 字 ； flag 用 来 设 置 等 待 互 斥 量 的 线 程 队 列 排 序 方 式 。 互 斥 量 创 建 成 功 ，函 数 返 回 互 斥 量 句 柄 ；创 建 失 败 ，则 返 回 RT_NULL。 参 数 Flag 的 取 值 有 两 种 ：  RT_IPC_FLAG_PRIO，多 个 等 待 互 斥 量 的 线 程 按 照 优 先 级 高 低 进 行 排 序 。   RT_IPC_FLAG_FIFO，多 个 等 待 互 斥 量 的 线 程 按 照 先 进 先 出 的 方 式 进 行 排 序 。  静 态 方 式 创 建 互 斥 量 需 要 两 步 ： （ 1） 定 义 一 个 互 斥 量 控 制 块 结 构 体 变 量 （ 2） 调 用 函 数 对 其 初 始 化 。 初 始 化 互 斥 量 的 函 数 接 口 如 下 ： rt_err_t rt_mutex_init (rt_mutex_t mutex, const char* name, rt_uint8_t flag) 该 函 数 对 参 数 mutex 指 定 的 互 斥 量 控 制 块 进 行 初 始 化 。另 外 两 个 参 数 name 和 flag 与 动 态 创 建 函 数 相 同 。 2. 获 取 互 斥 量 RT-thread 提 供 的 获 取 互 斥 量 的 函 数 接 口 如 下 ，线 程 通 过 调 用 此 函 数 来 获 取 某 个 互 斥 量 。 rt_err_t rt_mutex_take (rt_mutex_t mutex, rt_int32_t time) 参 数 mutex 为 互 斥 量 句 柄 ； time 表 示 等 待 超 时 时 间 ， 单 位 为 系 统 节 拍 。 如 果 互 斥 量 可 用 ，那 么 申 请 互 斥 量 的 线 程 将 会 成 功 获 取 ，线 程 就 有 了 对 互 斥 量 的 所 有 权 。若 该 线 程 继 续 获 取 互 斥 量 ，则 互 斥 量 的 持 有 计 数 加 1， 当 先 线 程 不 会 挂 起 等 待 （ 即 支 持 递 归 获 取 互 斥 量 ） 。 如 果 互 斥 量 已 经 被 其 他 线 程 占 用 ，则 当 前 线 程 会 进 入 挂 起 状 态 ，等 待 其 他 线 程 释 放 该 互 斥 量 或 者 等 待 超 时 时 间 达 到 。 rt_mutex_take() 返 回 RT_EOK 表 示 获 取 成 功 ；返 回 -RT_ETIMEOUT 表 示 获 取 超 时 ； -RT_ERROR 获 取 失 败 。 3. 释 放 互 斥 量 当 线 程 用 完 互 斥 资 源 后 ，应 该 尽 快 释 放 它 占 据 的 互 斥 量 ，使 得 其 他 线 程 能 够 及 时 获 取 。