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信号量核心机制说明及实际应用（结合ArduPilot代码）

news 2025/7/13 10:34:45

一、信号量的基本概念

信号量本质是一个整数计数器，用于跟踪共享资源的可用数量，或标记某个事件的发生。它通过定义两种原子操作（不可中断）来控制线程对资源的访问：

P操作（等待/获取，Acquire）：尝试获取资源使用权。若信号量值>0，将其减1并继续执行；若值=0，线程阻塞等待，直到信号量被释放。
V操作（释放，Release）：释放资源使用权。将信号量值加1，若有线程因等待该信号量而阻塞，唤醒其中一个线程。

信号量的核心作用是：

互斥（Mutex）：确保同一时间只有一个线程访问共享资源（如共享数据、硬件外设）。
同步：协调多个线程的执行顺序（如线程A必须在事件X发生后才能执行，线程B负责触发事件X）。

二、信号量的两种常见类型

1. 二进制信号量（Binary Semaphore）

值只能为0或1，用于实现互斥（类似“锁”）。
初始值为1：表示资源可用。线程获取时（P操作）值变为0（资源占用），释放时（V操作）值变回1（资源释放）。
应用场景：保护共享数据（如传感器数据、配置参数），避免多线程并发修改导致的数据错乱。

2. 计数信号量（Counting Semaphore）

值可以是任意非负整数，用于控制对有限数量资源的并发访问（如3个缓冲区，最多允许3个线程同时使用）。
初始值为资源总数N：每个线程获取资源时值减1，释放时值加1。当值=0时，后续线程阻塞等待。
应用场景：限制同时访问某资源的线程数量（如网络连接池、IO设备队列）。

三、信号量的核心操作（原子性保证）

信号量的P/V操作必须是原子操作（不可被中断），否则会导致竞态条件（Race Condition）。例如，若两个线程同时执行P操作，可能都判断信号量值>0，导致超过1个线程获取资源。

以二进制信号量为例，操作逻辑如下（伪代码）：

// P操作（获取资源）
void sem_wait(Semaphore *sem) {disable_interrupts();  // 关闭中断，确保操作原子性if (sem->value > 0) {sem->value--;      // 资源可用，占用它} else {add_thread_to_wait_queue(sem);  // 资源被占用，线程阻塞等待block_current_thread();         // 切换到其他线程}enable_interrupts();   // 恢复中断
}// V操作（释放资源）
void sem_post(Semaphore *sem) {disable_interrupts();  // 关闭中断，确保操作原子性if (wait_queue_not_empty(sem)) {wake_one_thread_from_queue(sem);  // 唤醒一个等待线程} else {sem->value++;      // 无等待线程，释放资源}enable_interrupts();   // 恢复中断
}

四、在ArduPilot中的实际应用（结合代码）

ArduPilot的ChibiOS调度器中大量使用二进制信号量实现线程同步，以下是典型场景：

1. 保护共享资源（如回调函数列表）

// 信号量定义（用于保护定时器回调列表）
chBSemObjectInit(&_timer_semaphore, false);  // 初始值为0（ChibiOS中false表示初始值0，需先post）// 注册定时器回调（多线程可能并发调用）
void Scheduler::register_timer_process(AP_HAL::MemberProc proc) {chBSemWait(&_timer_semaphore);  // P操作：获取信号量（若被占用则阻塞）// 临界区：修改共享的回调函数列表if (_num_timer_procs < MAX_PROCS) {_timer_proc[_num_timer_procs++] = proc;}chBSemSignal(&_timer_semaphore);  // V操作：释放信号量
}

作用：_timer_semaphore确保_timer_proc数组（定时器回调列表）的修改是原子操作，避免多线程同时添加回调导致的数组越界或数据错乱。
ChibiOS接口：chBSemWait（P操作）、chBSemSignal（V操作）用于二进制信号量。

2. 线程同步（如延迟预期管理）

// 信号量用于保护延迟预期的共享变量
WITH_SEMAPHORE(expect_delay_sem);  // RAII模式：自动获取和释放信号量// 临界区：修改延迟预期的嵌套计数、开始时间等变量
if (ms == 0) {if (expect_delay_nesting > 0) {expect_delay_nesting--;}
} else {expect_delay_start = AP_HAL::millis();expect_delay_nesting++;
}

WITH_SEMAPHORE宏：是ArduPilot封装的RAII（资源获取即初始化）工具，展开后等价于：

{Semaphore::ScopedLock lock(expect_delay_sem);  // 构造时P操作// 临界区代码
}  // 析构时自动V操作，确保信号量释放（即使发生异常）

作用：保护expect_delay_nesting（延迟嵌套计数）等变量，避免主线程在修改时被其他线程打断，确保延迟预期逻辑的正确性。

3. 防止递归调用（如定时器回调）

void Scheduler::_run_timers() {if (_in_timer_proc) {return;  // 若已在执行回调，直接返回（防止递归）}_in_timer_proc = true;  // 标记正在执行// 临界区：执行所有注册的定时器回调for (int i = 0; i < _num_timer_procs; i++) {_timer_proc[i]();}_in_timer_proc = false;  // 标记执行结束
}

结合信号量：虽然这里用标志位_in_timer_proc防止递归，但本质上与信号量的互斥逻辑一致——确保同一时间只有一个线程执行回调列表，避免回调函数内部再次触发_run_timers导致的栈溢出或数据冲突。

五、信号量的常见问题与解决方案

1. 死锁（Deadlock）

现象：线程A持有信号量S1并等待S2，线程B持有S2并等待S1，双方永久阻塞。

举例：

// 线程A
chBSemWait(S1);
chBSemWait(S2);  // 等待S2（被线程B持有）// 线程B
chBSemWait(S2);
chBSemWait(S1);  // 等待S1（被线程A持有）

解决方案：
- 按固定顺序获取信号量（如先S1后S2）。
- 限制信号量持有时间（超时后释放并重试）。
- 使用ChibiOS的chSemWaitTimeout（带超时的P操作）。

2. 优先级反转（Priority Inversion）

现象：低优先级线程持有信号量，高优先级线程因等待该信号量而被阻塞，导致高优先级任务延迟。
举例：
- 低优先级线程L持有信号量S，正在执行。
- 中优先级线程M抢占L的CPU（因优先级更高），导致L无法释放S。
- 高优先级线程H等待S，却因M的抢占而迟迟无法执行（H优先级 > M > L，但H被L间接阻塞）。
解决方案：
- 优先级继承：ChibiOS支持“优先级继承协议”，当低优先级线程持有高优先级线程等待的信号量时，临时将低优先级线程提升到高优先级，确保其尽快释放资源。
- 缩短临界区：减少信号量的持有时间（如临界区仅包含必要操作）。