【FreeRTOS】同步与互斥通信-有缺陷的互斥案例

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参考《FreeRTOS入门与工程实践(基于DshanMCU-103).pdf》

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同步与互斥通信

同步与互斥的概念

一句话理解同步与互斥：我等你用完厕所，我再用厕所。

什么叫同步？就是：哎哎哎，我正在用厕所，你等会。 什么叫互斥？就是：哎哎哎，我正在用厕所，你不能进来。

同步与互斥经常放在一起讲，是因为它们之的关系很大，“互斥”操作可以使用“同步”来实现。我“等”你用完厕所，我再用厕所。这不就是用“同步”来实现“互斥”吗？

再举一个例子。在团队活动里，同事A先写完报表，经理B才能拿去向领导汇报。经理B必须等同事A完成报表，AB之间有依赖，B必须放慢脚步，被称为同步。在团队活动中，同事A已经使用会议室了，经理B也想使用，即使经理B是领导，他也得等着，这就叫互斥。经理B跟同事A说：你用完会议室就提醒我。这就是使用"同步"来实现"互斥"。

有时候看代码更容易理解，伪代码如下：

void  抢厕所(void){if (有人在用) 我眯一会;用厕所;喂，醒醒，有人要用厕所吗;}

假设有A、B两人早起抢厕所，A先行一步占用了；B慢了一步，于是就眯一会；当A用完后叫醒B，B也就愉快地上厕所了。

在这个过程中，A、B是互斥地访问“厕所”，“厕所”被称之为临界资源。我们使用了“休眠-唤醒”的同步机制实现了“临界资源”的“互斥访问”。

同一时间只能有一个人使用的资源，被称为临界资源。比如任务A、B都要使用串口来打印，串口就是临界资源。如果A、B同时使用串口，那么打印出来的信息就是A、B混杂，无法分辨。所以使用串口时，应该是这样：A用完，B再用；B用完，A再用。

同步与互斥并不简单

假设两个任务都是OLED显示的操作，底层都是IIC代码

假设任务A发送了起始信号，此时发生一次调度，任务B也发送了起始信号

这样IIC时序就被打乱了，IIC时序烂七八糟的

• 所以使用红框的代码，必须互斥的访问

假设A运行到108行，被切换出去了（全局变量还没有清零），运行任务B，任务B能正常运行，假设任务B运行到一半被切换到任务A，任务A才开始清零，A也可以使用LCD

如果切换任务发生在108行这一点上，那么A和B都可以同时使用LCD，但是这个概率非常非常低，基本不会在这里产生Tick中断

• 大部分时间，我们使用全局变量保护这个LCD是没有问题的，但是也有缺陷！~
• 程序运行很长时间，就有可能发送这样的缺陷！

缺陷

这个缺陷问题在于判断这个变量和设置这个变量被打断了！

在裸机程序里，可以使用一个全局变量或静态变量实现互斥操作，比如要互斥地使用LCD，可以使用如下代码：

 int LCD_PrintString(int x, int y, char *str) {static int bCanUse = 1;if (bCanUse){ bCanUse = 0;/* 使用LCD */bCanUse = 1;return 0;}return -1;}

但是在RTOS里，使用上述代码实现互斥操作时，大概率是没问题的，但是无法确保万无一失。

假设如下场景：有两个任务A、B都想调用LCD_PrintString，任务A执行到第4行代码时发现bCanUse为1，可以进入if语句块，它还没执行第6句指令就被切换出去了；然后任务B也调用LCD_PrintString，任务B执行到第4行代码时也发现bCanUse为1，也可以进入if语句块使用LCD。在这种情况下，使用静态变量并不能实现互斥操作。

上述例子中，是因为第4、第6两条指令被打断了，那么如下改进：在函数入口处先然让bCanUse减一。这能否实现万无一失的互斥操作呢？

 int LCD_PrintString(int x, int y, char *str) {static int bCanUse = 1;bCanUse--;if (bCanUse == 0){ /* 使用LCD */bCanUse++;return 0;}else{bCanUse++;return -1;}}

进入这个函数，bCanUse变量就减减，初值=1，减减后等于0
然后判断这个变量是否等于0，然后就执行下面的语句了
如果任务A能够执行完这个自减语句，才发生调度，执行任务B，在任务B里bCanUse先减减，减完就变成-1了，无法使用LCD

分析汇编指令

把bCanuse指令拆分一下，把第4行的代码使用汇编指令表示如下：

04.1 LDR R0, [bCanUse]  	// 读取bCanUse的值，存入寄存器R004.2 DEC R0, #1     	    // 把R0的值减一04.3 STR R0, [bCanUse]      // 把R0写入变量bCanUse 

假设如下场景：有两个任务A、B都想调用LCD_PrintString，任务A执行到第04.1行代码时读到的bCanUse为1，存入寄存器R0就被切换出去了；然后任务B也调用LCD_PrintString，任务B执行到第4行时发现bCanUse为1并把它减为0，执行到第5行代码时发现条件成立可以进入if语句块使用LCD，然后任务B也被切换出去了；现在任务A继续运行第04.2行代码时R0为1，运行到第04.3行代码时把bCanUse设置为0，后续也能成功进入if的语句块。在这种情况下，任务A、B都能使用LCD。

优化过程 - 关闭中断

上述方法不能保证万无一失的原因在于：**在判断过程中，被打断了。**如果能保证这个过程不被打断，就可以了：通过关闭中断来实现。

示例1的代码改进如下：在第5~7行前关闭中断。
没有办法产生Tick中断，无法调度，所以就不会冲突了~

 int LCD_PrintString(int x, int y, char *str) {static int bCanUse = 1;disable_irq();if (bCanUse){ bCanUse = 0;enable_irq();/* 使用LCD */bCanUse = 1;return 0;}enable_irq();return -1;}

示例2的代码改进如下：在第5行前关闭中断。

 int LCD_PrintString(int x, int y, char *str) {static int bCanUse = 1;disable_irq();bCanUse--;enable_irq();if (bCanUse == 0){ /* 使用LCD */bCanUse++;return 0;}else{disable_irq();bCanUse++;enable_irq();return -1;}}

时间轴分析

现在任务A和任务B都使用同一个函数，都想打印自己的信息

看时间轴，B在不断地判断，不断地失败，耗费了CPU资源

这种使用全局变量和关闭中断的方法，可以实现打印，但是太消耗CPU资源

那我们能不能实现A打印的过程中，B再来访问，B就阻塞，等待A执行完，用A唤醒B？ 如下图所示：

思考时刻

• 后面用信号量和互斥量完成这些目标