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【FreeRTOS】第八课（1）：信号量（Semaphore）

news 2025/10/4 20:03:23

一、信号量的本质

信号量使用比喻

信号量使用

二、对比：普通队列和信号量队列

1.普通队列

2.信号量队列

小结

三、函数原型

1.创建

1）二值信号量

静态

动态

2）计数型信号量

静态

动态

2.删除

3.give

在普通任务中give

在ISR（中断）中give

4.take

在普通任务中take

在ISR中take

四、使用示例

五、优先级反转问题

优先级反转发生的逻辑

一、信号量的本质

信号：起提示作用

量：起计数作用

本质是一个不涉及数据传输，只涉及数据统计的队列，通过对信号量的使用可以实现任务的互斥操作

信号量使用比喻

将任务比喻成游客，信号比喻为票，票的数量就是信号量

take事件就是获得票，give事件就是增加票

如果有剩余的票，游客就能拿到票，同时票的数量减一

如果没有剩余的票，游客可以选择景区门口排队等待，vip游客先排队

景区可以增加票（give操作），让票的数量加一，同时唤醒等待的游客，每放一张票就唤醒一个等待的游客

每有一个游客离开景区可以选择保留票或把票上交（give操作），让票的数量加一

当票发到景区可以承载的上限时无需等待直接停止发票，同时返回发票失败的信息

信号量使用

如果有信号量，任务就能够执行，同时信号量减一

如果没有信号量，任务可以选择阻塞或者暂停，在阻塞过程中优先级高的任务会先获得信号量

在任务执行过程中可以使用give函数增加信号量，每增加一个信号量就会唤醒一个任务

每一个任务执行完毕可以选择保留或释放信号量（give操作，让信号量加一）

当信号量增加到上限就不再增加

二、对比：普通队列和信号量队列

1.普通队列

有队列长度、读位置、写位置、计数值、发送者链表、接收者链表，用环形缓冲区保存数据，
用send往队列里写数据，将数据写入环形缓冲区，计数值加一，提醒接收者有数据了，
用receive读取队列里的数据，将数据从环形缓冲区读出并删除，计数值减一，提醒发送者有空位了

2.信号量队列

有信号量最大值、计数值、接收者链表，无需环形缓冲区保存数据，
增加信号量的操作叫做give，计数值加一，唤醒接收者有信号量可以使用了，
其他任务使用信号量叫take，计数值减一，无需唤醒

小结

因为信号量队列不涉及数据的操作，所以相比于普通队列，信号量队列没有用于记录读写位置的指针，也没有读写数据的操作，但有接收者链表用于找到需要唤醒的任务

三、函数原型

数据类型解释

SemaphoreHandle_t	信号量队列句柄，void*
StaticSemaphore_t	一个操作系统已经给出的结构体
UBaseType_t	unsigned long
BaseType_t	long
TickType_t	uint32_t

1.创建

1）二值信号量

静态

/* 创建一个二进制信号量，返回它的句柄。* 此函数无需动态分配内存，所以需要先有一个StaticSemaphore_t结构体，并传入它的指针* 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );

动态

/* 创建一个二进制信号量，返回它的句柄。* 此函数内部会分配信号量结构体 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void );

2）计数型信号量

静态

/* 创建一个计数型信号量，返回它的句柄。* 此函数无需动态分配内存，所以需要先有一个StaticSemaphore_t结构体，并传入它的指针* uxMaxCount: 最大计数值* uxInitialCount: 初始计数值，每消耗一个就减一* pxSemaphoreBuffer: StaticSemaphore_t结构体指针* 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic( UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount, StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );

动态

/* 创建一个计数型信号量，返回它的句柄。* 此函数内部会分配信号量结构体 * uxMaxCount: 最大计数值* uxInitialCount: 初始计数值* 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount);

2.删除

对于动态创建的信号量，不再需要它们时，可以删除它们以回收内存。

vSemaphoreDelete可以用来删除二进制信号量、计数型信号量，函数原型如下：

/** xSemaphore: 信号量句柄，你要删除哪个信号量*/
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

3.give

二进制信号量、计数型信号量的give函数是一样的，take函数也是一样的

在普通任务中give

BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，释放哪个信号量
返回值	pdTRUE表示成功, 如果二进制信号量的计数值已经是1，再次调用此函数则返回失败；如果计数型信号量的计数值已经是最大值，再次调用此函数则返回失败

在ISR（中断）中give

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，释放哪个信号量
pxHigherPriorityTaskWoken	如果释放信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态，则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
返回值	pdTRUE表示成功, 如果二进制信号量的计数值已经是1，再次调用此函数则返回失败；如果计数型信号量的计数值已经是最大值，再次调用此函数则返回失败

4.take

在普通任务中take

BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,TickType_t xTicksToWait);

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，获取哪个信号量
xTicksToWait	如果无法马上获得信号量，阻塞一会： 0：不阻塞，马上返回 portMAX_DELAY: 一直阻塞直到成功其他值: 阻塞的Tick个数，可以使用pdMS_TO_TICKS()来指定阻塞时间为若干ms
返回值	pdTRUE表示成功

在ISR中take

BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，获取哪个信号量
pxHigherPriorityTaskWoken	如果获取信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态，则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
返回值	pdTRUE表示成功

四、使用示例

static SemaphoreHandle_t g_xSemTicks;     //用于接收信号量队列创建函数的返回值static void CarTask(void *params)
{/* 获得信号量，take */xSemaphoreTake(g_xSemTicks, portMAX_DELAY);/* 释放信号量，give *//* 当信号量被释放后，其他任务可以获得信号量执行，从而实现了互斥操作 */xSemaphoreGive(g_xSemTicks);vTaskDelete(NULL);
}void car_game()
{/* 创建动态信号量队列，最大值为3，初始值为1 *//* 意味着同时只有一个任务可以得到执行 *//* 类似于直接创建二值信号量 g_xSemTicks = xSemaphoreCreateBinary(); */g_xSemTicks = xSemaphoreCreateCounting(3, 1); /* 创建三个汽车任务 */xTaskCreate(CarTask, "car1", 128, &g_cars[0], osPriorityNormal, NULL);xTaskCreate(CarTask, "car2", 128, &g_cars[1], osPriorityNormal, NULL);xTaskCreate(CarTask, "car3", 128, &g_cars[2], osPriorityNormal, NULL);
}

五、优先级反转问题

有低中高三个优先级的任务，如果任务创建顺序是高中低，信号量是二值信号量，其中低优先级和高优先级的任务需要信号量才能执行，中优先级的任务无需信号量便能执行

优先级反转发生的逻辑

低优先级的任务最后创建，所以最先得到执行，执行一小段时间后发生任务切换，去寻找可以执行的任务，
由于高优先级的任务需要得到信号量才能执行，所以跳过执行高优先级的任务去执行中优先级的任务，
中优先级的任务执行一小段时间后发生任务切换，但是只会从中优先级切换到高优先级，永远不会切换回低优先级，信号量始终保持在低优先级任务内得不到释放，高优先级任务虽然能被切换，但也永远得不到执行

发生了优先级低的任务阻塞了优先级高的任务，这就是优先级反转

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