同步与互斥学习笔记
一、基本概念
同步与互斥是多任务/多线程编程中的两个核心机制：
同步：指多个任务之间存在明确的先后顺序，一个任务必须等待另一个任务完成某些操作后才能继续执行。
互斥：指多个任务在同一时刻争抢使用同一资源（临界资源），必须通过某种机制保证同一时间只有一个任务可以使用该资源。
二、线程安全问题的由来
问题描述
当多个任务同时访问一个共享资源（如全局变量）时，如果没有适当的保护机制，就会出现数据不一致的问题。
示例分析：全局变量 count++
c
int count = 0; // 两个线程同时执行 count++
count++ 实际上包含三个步骤（非原子操作）：
读取
count的值到寄存器对寄存器中的值加 1
将结果写回
count的内存地址
执行流程（可能出现的问题）：
线程 A 读取
count = 0，准备加 1；此时切换到线程 B，也读取
count = 0，完成加 1 并写回，count变为 1；切换回线程 A，继续执行加 1（基于之前读到的 0），写回后
count仍为 1。
预期结果为 2，实际结果为 1，这就是典型的线程安全问题，也称为数据竞争。
三、同步机制的缺陷
使用同步机制（如忙等待）会导致任务死等，浪费 CPU 资源。
应避免使用
while()循环进行无意义的等待，而应使用阻塞机制让出 CPU。
四、全局变量在 RTOS 中的存储位置
问题：全局变量存储在哪个栈中？
答案：全局变量不属于任何一个任务的栈。
内存区域划分：
代码区 (Text Segment)：存放程序指令。
全局/静态数据区 (Data/BSS Segment)：
存放全局变量和静态变量；
在程序启动时分配，生命周期贯穿整个程序；
被所有任务和中断共享。
堆区 (Heap)：动态分配的内存（如
malloc/pvPortMalloc）。栈区 (Stack)：
主栈/中断栈：用于 ISR 和内核调度；
任务栈：每个任务独立拥有，用于存放局部变量和上下文。
结论：
全局变量存储在全局数据区，是共享资源，访问时需使用临界区、信号量、互斥锁等机制进行保护。
五、volatile 关键字的作用
问题背景：
在编译器优化的情况下，可能会将变量缓存在寄存器中，导致多任务环境中读取到旧值。
示例代码（无 volatile）：
c
int g_calc_end = 0;// Writer 任务
void vWriterTask(void *pvParameters) {while(1) {g_calc_end = 1; // 修改全局变量}
}// Reader 任务
void vReaderTask(void *pvParameters) {while(1) {if (g_calc_end == 1) { // 判断全局变量// 执行操作g_calc_end = 0;}vTaskDelay(1);}
}问题流程：
Reader 任务第一次读取
g_calc_end到寄存器；编译器优化后，后续判断直接使用寄存器中的值（不再从内存读取）；
Writer 任务修改了内存中的
g_calc_end；Reader 任务仍然使用寄存器中的旧值，导致判断错误。
解决方案：使用 volatile
c
volatile int g_calc_end = 0;
volatile 的作用：
告诉编译器该变量是“易变的”；
禁止对其进行优化：
每次读取必须从内存中重新加载；
每次写入必须立即写回内存。
六、补充与总结
疏漏补充：
原子操作：某些架构提供原子指令（如
__atomic_inc），可避免数据竞争；临界区保护：使用开关中断、调度器锁、互斥量等方法保护共享资源；
任务通信机制：除了全局变量，还可使用队列、事件组、信号量等进行任务间同步与通信；
内存屏障：在多核系统中，可能需要使用内存屏障指令确保内存访问顺序。
总结图示：
（见原笔记中的图片，图示展示了同步与互斥的机制和资源访问流程）
七、最佳实践建议
尽量避免使用全局变量，优先使用 RTOS 提供的通信机制；
若必须使用共享资源，务必使用互斥锁或信号量进行保护；
对于可能被异步修改的变量，必须使用
volatile声明；在临界区中尽量减少操作时间，避免影响系统实时性；
合理使用任务阻塞机制，避免忙等待浪费 CPU 资源。