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嵌入式通信机制考点：消息队列、信号量与互斥锁

📌 本文属于《嵌入式工程师面试不再难》专栏第 4 篇，主要解析嵌入式操作系统中的 任务通信机制：消息队列、信号量和互斥锁。
面试官经常会在笔试题或面试环节考你这部分，本文带你用 简单易懂的方式 搞懂这些核心考点。

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目录

1. 为什么需要任务间通信？
2. 消息队列（Message Queue）
3. 信号量（Semaphore）
4. 互斥锁（Mutex）
5. 三者的比较总结
6. 面试答题技巧
7. 总结

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一、为什么需要任务间通信？

在单任务系统里，所有逻辑都在一个循环里跑，变量共享即可。
但在 实时操作系统（RTOS） 里，任务是独立调度的：

• 任务 A：采集传感器数据
• 任务 B：进行滤波和运算
• 任务 C：通过 UART 把结果发给上位机

👉 如果这些任务需要共享数据或同步操作，必须通过 通信机制 来协调，避免数据竞争和混乱。

常见机制有：全局变量 + 临界区、事件标志、消息队列、信号量和互斥锁等。
其中 消息队列、信号量、互斥锁 是面试最常考的。

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二、消息队列（Message Queue）

1. 概念

消息队列就是一个 先进先出（FIFO）的数据通道，任务 A 可以往里面放消息，任务 B 从里面取消息。

✅ 优点：

• 任务解耦
• 带缓存
• 支持阻塞等待

2. 面试常见问题

• 消息队列和共享内存有什么区别？

  • 共享内存效率高，但需要锁保护。
  • 消息队列更安全，带有同步机制。

• 消息队列能传什么？

  • 可以传基本数据（int、float），也能传结构体指针，但要注意内存管理。

3. 示例代码（基于 FreeRTOS）

#include "FreeRTOS.h"
#include "queue.h"QueueHandle_t xQueue;void TaskA(void *pvParameters) {int data = 100;while (1) {xQueueSend(xQueue, &data, portMAX_DELAY);data++;vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));}
}void TaskB(void *pvParameters) {int recvData;while (1) {if (xQueueReceive(xQueue, &recvData, portMAX_DELAY)) {printf("Received: %d\n", recvData);}}
}int main(void) {xQueue = xQueueCreate(5, sizeof(int));xTaskCreate(TaskA, "Producer", 128, NULL, 1, NULL);xTaskCreate(TaskB, "Consumer", 128, NULL, 1, NULL);vTaskStartScheduler();
}

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三、信号量（Semaphore）

1. 概念

信号量是一个 计数器，常用于 任务同步 或 资源访问控制。

• 二值信号量（Binary Semaphore）：0/1，用于事件通知。
• 计数信号量（Counting Semaphore）：可大于 1，用于资源数量控制。

2. 面试常见问题

• 二值信号量和互斥锁区别？

  • 二值信号量没有优先级继承，可能出现优先级反转。
  • 互斥锁专门为资源保护设计。

• 什么时候用信号量？

  • 常用于 中断通知任务。

3. 示例代码（中断 + 任务）

SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;void EXTI_IRQHandler(void) {BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;xSemaphoreGiveFromISR(xBinarySemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken);portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}void TaskHandler(void *pvParameters) {while (1) {if (xSemaphoreTake(xBinarySemaphore, portMAX_DELAY)) {printf("Interrupt event handled!\n");}}
}int main(void) {xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary();xTaskCreate(TaskHandler, "TaskHandler", 128, NULL, 2, NULL);vTaskStartScheduler();
}

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四、互斥锁（Mutex）

1. 概念

互斥锁用于 保护共享资源，同一时间只允许一个任务访问临界区。

特点：

• 独占访问
• 优先级继承机制（避免优先级反转）

2. 面试常见问题

• 互斥锁 vs 信号量？

  • 互斥锁 → 用于保护共享资源
  • 信号量 → 用于任务/中断同步

• 什么是优先级反转？

  • 高优先级任务被迫等待低优先级任务释放锁，而低优先级任务又被中等优先级任务打断，导致系统性能下降。

3. 示例代码

SemaphoreHandle_t xMutex;void Task1(void *pvParameters) {while (1) {if (xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY)) {printf("Task1 using UART\n");vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));xSemaphoreGive(xMutex);}}
}void Task2(void *pvParameters) {while (1) {if (xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY)) {printf("Task2 using UART\n");vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));xSemaphoreGive(xMutex);}}
}

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五、三者的比较总结

特性	消息队列	信号量	互斥锁
主要作用	任务间数据传递	任务/中断同步	保护共享资源
是否传输数据	✅ 可以（整型、结构体等）	❌ 不传输数据，仅信号	❌ 不传输数据，仅加锁解锁
阻塞机制	队列满/空时可阻塞	计数为 0 时阻塞	已被占用时阻塞
优先级继承机制	❌	❌	✅ 支持
使用场景	任务间解耦、缓冲数据	中断 → 任务通知，任务同步	多任务共享 UART、I2C 等外设

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六、面试答题技巧

• 信号量 vs 互斥锁

  信号量是任务间同步机制，本质是计数器；互斥锁是资源保护机制，带优先级继承。

• 什么时候用消息队列？

  当任务间需要传输数据、解耦时，比如 传感器任务 → 通信任务。

• 优先级反转怎么解决？

  使用互斥锁的优先级继承机制。

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七、总结

• 消息队列：用于任务间传输数据
• 信号量：用于同步任务/中断
• 互斥锁：用于资源保护

在面试中，最好结合 场景化例子 来回答：

• 信号量 → 中断触发任务
• 互斥锁 → 多任务共享外设
• 消息队列 → 数据处理流水线

只要你能结合实际案例讲清楚，面试官一定会点头。

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