韦东山freeRTOS系列教程之【第七章】互斥量(mutex)

需要获取更好阅读体验的同学，请访问我专门设立的站点查看，地址：http://rtos.100ask.net/

系列教程总目录

本教程连载中，篇章会比较多，为方便同学们阅读，点击这里可以查看文章的 目录列表，目录列表页面地址：https://blog.csdn.net/thisway_diy/article/details/121399484

概述

怎么独享厕所？自己开门上锁，完事了自己开锁。

你当然可以进去后，让别人帮你把门：但是，命运就掌握在别人手上了。

使用队列、信号量，都可以实现互斥访问，以信号量为例：

• 信号量初始值为1
• 任务A想上厕所，"take"信号量成功，它进入厕所
• 任务B也想上厕所，"take"信号量不成功，等待
• 任务A用完厕所，"give"信号量；轮到任务B使用

这需要有2个前提：

• 任务B很老实，不撬门(一开始不"give"信号量)
• 没有坏人：别的任务不会"give"信号量

可以看到，使用信号量确实也可以实现互斥访问，但是不完美。

使用互斥量可以解决这个问题，互斥量的名字取得很好：

• 量：值为0、1
• 互斥：用来实现互斥访问

它的核心在于：谁上锁，就只能由谁开锁。

很奇怪的是，FreeRTOS的互斥锁，并没有在代码上实现这点：

• 即使任务A获得了互斥锁，任务B竟然也可以释放互斥锁。
• 谁上锁、谁释放：只是约定。

本章涉及如下内容：

• 为什么要实现互斥操作

• 怎么使用互斥量

• 互斥量导致的优先级反转、优先级继承

7.1 互斥量的使用场合

在多任务系统中，任务A正在使用某个资源，还没用完的情况下任务B也来使用的话，就可能导致问题。

比如对于串口，任务A正使用它来打印，在打印过程中任务B也来打印，客户看到的结果就是A、B的信息混杂在一起。

这种现象很常见：

• 访问外设：刚举的串口例子

• 读、修改、写操作导致的问题 对于同一个变量，比如int a，如果有两个任务同时写它就有可能导致问题。 对于变量的修改，C代码只有一条语句，比如：a=a+8;，它的内部实现分为3步：读出原值、修改、写入。

我们想让任务A、B都执行add_a函数，a的最终结果是1+8+8=17。 假设任务A运行完代码①，在执行代码②之前被任务B抢占了：现在任务A的R0等于1。 任务B执行完add_a函数，a等于9。 任务A继续运行，在代码②处R0仍然是被抢占前的数值1，执行完②③的代码，a等于9，这跟预期的17不符合。

• 对变量的非原子化访问 修改变量、设置结构体、在16位的机器上写32位的变量，这些操作都是非原子的。也就是它们的操作过程都可能被打断，如果被打断的过程有其他任务来操作这些变量，就可能导致冲突。

• 函数重入 “可重入的函数"是指：多个任务同时调用它、任务和中断同时调用它，函数的运行也是安全的。可重入的函数也被称为"线程安全”(thread safe)。 每个任务都维持自己的栈、自己的CPU寄存器，如果一个函数只使用局部变量，那么它就是线程安全的。 函数中一旦使用了全局变量、静态变量、其他外设，它就不是"可重入的"，如果改函数正在被调用，就必须阻止其他任务、中断再次调用它。

上述问题的解决方法是：任务A访问这些全局变量、函数代码时，独占它，就是上个锁。这些全局变量、函数代码必须被独占地使用，它们被称为临界资源。

互斥量也被称为互斥锁，使用过程如下：

• 互斥量初始值为1
• 任务A想访问临界资源，先获得并占有互斥量，然后开始访问
• 任务B也想访问临界资源，也要先获得互斥量：被别人占有了，于是阻塞
• 任务A使用完毕，释放互斥量；任务B被唤醒、得到并占有互斥量，然后开始访问临界资源
• 任务B使用完毕，释放互斥量

正常来说：在任务A占有互斥量的过程中，任务B、任务C等等，都无法释放互斥量。

但是FreeRTOS未实现这点：任务A占有互斥量的情况下，任务B也可释放互斥量。

7.2 互斥量函数 7.2.1 创建

互斥量是一种特殊的二进制信号量。

使用互斥量时，先创建、然后去获得、释放它。使用句柄来表示一个互斥量。

创建互斥量的函数有2种：动态分配内存，静态分配内存，函数原型如下：

/* 创建一个互斥量，返回它的句柄。
 * 此函数内部会分配互斥量结构体 
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex( void );

/* 创建一个互斥量，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 xSemaphoreCreateMutexStatic( StaticSemaphore_t *pxMutexBuffer );

要想使用互斥量，需要在配置文件FreeRTOSConfig.h中定义：

#define configUSE_MUTEXES 1

7.2.2 其他函数

要注意的是，互斥量不能在ISR中使用。

各类操作函数，比如删除、give/take，跟一般是信号量是一样的。

/*
 * xSemaphore: 信号量句柄，你要删除哪个信号量, 互斥量也是一种信号量
 */
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

/* 释放 */
BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

/* 释放(ISR版本) */
BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(
                       SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                       BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                   );

/* 获得 */
BaseType_t xSemaphoreTake(
                   SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                   TickType_t xTicksToWait
               );
/* 获得(ISR版本) */
xSemaphoreGiveFromISR(
                       SemaphoreHandle_t xSemaphore,
                       BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                   );

7.3 示例15: 互斥量基本使用

本节代码为： FreeRTOS_15_mutex 。

使用互斥量时有如下特点：

• 刚创建的互斥量可以被成功"take"
• “take"互斥量成功的任务，被称为"holder”，只能由它"give"互斥量；别的任务"give"不成功
• 在ISR中不能使用互斥量

本程序创建2个发送任务：故意发送大量的字符。可以做2个实验：

• 使用互斥量：可以看到任务1、任务2打印的字符串没有混杂在一起
• 不使用互斥量：任务1、任务2打印的字符串混杂在一起

main函数代码如下：

/* 互斥量句柄 */
SemaphoreHandle_t xMutex;

int main( void )
{
	prvSetupHardware();
	
    /* 创建互斥量 */
    xMutex = xSemaphoreCreateMutex( );


	if( xMutex != NULL )
	{
		/* 创建2个任务: 都是打印
		 * 优先级相同
		 */
		xTaskCreate( vSenderTask, "Sender1", 1000, (void *)1, 1, NULL );
		xTaskCreate( vSenderTask, "Sender2", 1000, (void *)2, 1, NULL );

		/* 启动调度器 */
		vTaskStartScheduler();
	}
	else
	{
		/* 无法创建互斥量 */
	}

	/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
	return 0;
}

发送任务的函数如下：

static void vSenderTask( void *pvParameters )
{
	const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 10UL );	
	int cnt = 0;
	int task = (int)pvParameters;
	int i;
	char c;
	
	/* 无限循环 */
	for( ;; )
	{	
		/* 获得互斥量: 上锁 */
		xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY);
		
		printf("Task %d use UART count: %d, ", task, cnt++);
		c = (task == 1 ) ? 'a' : 'A';
		for (i = 0; i