10.FreeRTOS_互斥量

互斥量概述

在博文“ FreeRTOS_信号量 ”中，使用了二进制信号量实现了互斥，保护了串口资源。博文链接如下：

FreeRTOS_信号量-CSDN博客

但还是要引入互斥量的概念。互斥量与二进制信号量相比，能够多实现如下两个功能：

• 防止优先级反转问题
• 解决递归上锁/解锁问题

互斥量有两种：

• 普通互斥量：具有优先级继承功能，解决优先级反转问题
• 递归锁：具有优先级继承功能、能够解决递归上锁/解锁问题、解决谁上锁谁才能解锁的问题

优先级反转

优先级反转问题

假设任务A、B、C的优先级为1、2、3。在程序开始时，A进行上锁，之后B运行抢断的A，之后C运行抢断了B。在C中，想获得锁，但A已经上锁，所以C进入了阻塞，释放了CPU。这时B继续运行，但不解锁，从而导致C被B抢占，即高优先级的任务是否能继续执行由低优先级的任务决定。

这种现象称为优先级反转。

优先级继承

使用优先级继承的方法解决优先级反转的问题。

在C获得锁之后进入阻塞状态，同时执行上锁的任务A会继承C的优先级3，从而进行执行。当A执行完解锁后，A优先级的优先级变回原来的优先级1。之后C获得锁，不再阻塞，C继续执行，执行完成之后，B运行。

在低优先级任务上锁，高优先级任务获得锁阻塞之后，低优先级任务继承高优先级任务的优先级的操作叫做优先级继承。

递归上锁/解锁

递归上锁原因

递归上锁的示例代码如下：

void fun(){xSemaphoreTake(SemaphoreHandleTest,portMAX_DELAY);/* 上锁 *//* 一些功能 */xSemaphoreGive(SemaphoreHandleTest);/* 解锁 */
}
void Task1(void *param){while(1){xSemaphoreTake(SemaphoreHandleTest,portMAX_DELAY);/* 上锁 *//* 一些功能 */fun();xSemaphoreGive(SemaphoreHandleTest);/* 解锁 */}
}

在上述代码中，任务1首先进行了上锁，之后调用了fun函数。在fun函数中又进行了上锁，但这时已经上锁，所以就阻塞在了fun函数中。最终导致Task1无法执行完成fun函数，也就无法执行解锁函数，形成死锁。

递归锁

使用递归锁可以解决上述问题。递归锁的作用是，如果开始时为A来上锁，那么在上锁之后，A依旧可以进行调用上锁函数进行上锁，而不会进入阻塞状态。但不管怎样，上锁之后都要解锁，即：上锁多少次，就要解锁多少次，上锁与解锁一 一配对。

除此之外，递归锁还可以满足谁上锁，谁才有权力解锁的问题。而信号量和普通互斥锁并不能实现这个功能。

相关配置

在使用互斥量之前，需要打开宏开关，具体的步骤如下：

在使用递归锁之前，需要打开宏开关，具体的步骤如下：

互斥量相关函数

创建普通互斥量

函数声明如下：

/* 这是一个宏，创建普通互斥量 */
xSemaphoreCreateMutex()/* 宏定义 */
#define xSemaphoreCreateMutex()    xQueueCreateMutex( queueQUEUE_TYPE_MUTEX )/* 实际调用函数 */
QueueHandle_t xQueueCreateMutex( const uint8_t ucQueueType )

返回值：互斥量的句柄

互斥量在创建后与二进制信号量不同，互斥量初始值为1，二进制信号量初始值为0

获取/释放互斥量

获取和释放互斥量所用的函数与二值信号量的函数一致。

函数声明如下：

/* 这是一个宏，存入（释放）信号量/互斥量 */
xSemaphoreGive( xSemaphore )/* 这是一个宏，获取信号量/互斥量 */
xSemaphoreTake( xSemaphore, xBlockTime )

存入函数返回值：成功返回pdPASS，在当前计数值=最大计数值时，会存入失败

xSemaphore ：信号量句柄

xBlockTime ：阻塞等待时间，portMAX_DELAY为死等

创建递归锁

函数声明如下：

/* 这是一个宏，创建递归锁 */
xSemaphoreCreateRecursiveMutex()/* 宏定义 */
#define xSemaphoreCreateRecursiveMutex()  \xQueueCreateMutex( queueQUEUE_TYPE_RECURSIVE_MUTEX )/* 实际调用函数 */
QueueHandle_t xQueueCreateMutex( const uint8_t ucQueueType )

返回值：互斥量的句柄

创建后初始值为1

获取/释放递归锁

获取和释放递归锁的函数用法与互斥量一致，只是名字有所差别

函数声明如下：

/* 这是一个宏，存入（释放）递归锁 */
xSemaphoreGiveRecursive( xMutex )/* 这是一个宏，获取递归锁 */
xSemaphoreTakeRecursive( xMutex, xBlockTime )

存入函数返回值：成功返回pdPASS，在当前计数值=最大计数值时，会存入失败

xSemaphore ：信号量句柄

xBlockTime ：阻塞等待时间，portMAX_DELAY为死等

验证实验

1、基本互斥实验

使用互斥量来确保串口的输出不被打断。

与二进制信号量实现该功能相比，代码方面的差异只在初始化不同，其他代码都没有进行修改

二进制信号量实现该功能的初始化代码如下：

/* 创建二进制信号量，初始值自动设置为 0 */
SemaphoreHandleTest = xSemaphoreCreateBinary();
/* 让信号量为1，代表串口资源可用 */
xSemaphoreGive(SemaphoreHandleTest);

互斥量实现该功能的初始化代码如下：

/* 创建互斥量，初始值自动设置为 1 */
SemaphoreHandleTest = xSemaphoreCreateMutex();

实验现象和其他代码实现与博文“ FreeRTOS_信号量 ”中 “ 验证实验 ” 均一致。博文链接如下：

FreeRTOS_信号量-CSDN博客

2、优先级继承实验

根据本文 “互斥量概述” 中 “ 优先级反转 ”内容的描述，来进行编写代码。这里使用二进制信号量与互斥量进行运行结果的对比。

具体的代码实现如下：

QueueHandle_t SemaphoreHandleTest;
char taskA_flag = 0;
char taskB_flag = 0;
char taskC_flag = 0;
void TaskAFunction(void *param){int i=0;while(1){/* 上锁 */xSemaphoreTake(SemaphoreHandleTest,portMAX_DELAY);/* 执行一个很长的时间的程序 */taskA_flag = 1;taskB_flag = 0;taskC_flag = 0;for(i=0;i<20;i++){printf("%d,%d,%d",taskA_flag,taskB_flag,taskC_flag);taskA_flag = 1;taskB_flag = 0;taskC_flag = 0;}/* 解锁 */xSemaphoreGive(SemaphoreHandleTest);}
}
void TaskBFunction(void *param){vTaskDelay(5);/* B先休眠，让A任务执行 */while(1){/* B一直在执行，这会导致如果A优先级低于B，则A一直不执行 */taskA_flag = 0;taskB_flag = 1;taskC_flag = 0;}
}
void TaskCFunction(void *param){int i=0;vTaskDelay(10);/* C先休眠，让AB任务执行 */while(1){taskA_flag = 0;taskB_flag = 0;taskC_flag = 1;/* 上锁 */xSemaphoreTake(SemaphoreHandleTest,portMAX_DELAY);/* C任务执行一段时间 */for(i=0;i<10;i++){printf("this is taskC\r\n");taskA_flag = 0;taskB_flag = 0;taskC_flag = 1;}/* 解锁 */xSemaphoreGive(SemaphoreHandleTest);}
}
int main( void )
{TaskHandle_t xHandleTask1;TaskHandle_t xHandleTask2;TaskHandle_t xHandleTask3;prvSetupHardware();SerialPortInit();printf("UART TEST\r\n");/* 创建互斥量，初始值自动设置为 1 *///SemaphoreHandleTest = xSemaphoreCreateMutex();/* 创建二进制信号量，初始值自动设置为 0 */SemaphoreHandleTest = xSemaphoreCreateBinary();/* 让信号量为1，代表资源可用 */xSemaphoreGive(SemaphoreHandleTest);xTaskCreate(TaskAFunction,"TaskA",100,(void*)NULL,1,&xHandleTask1);xTaskCreate(TaskBFunction,"TaskB",100,(void*)NULL,2,&xHandleTask2);xTaskCreate(TaskCFunction,"TaskC",100,(void*)NULL,3,&xHandleTask3);vTaskStartScheduler();return 0;
}

该代码的主要功能就是利用taskA_flag 、taskB_flag、taskC_flag 这三个标志位来判断当前任务是谁在运行。通过逻辑分析仪显示出这三个变量的电平来分析抢占关系。

二值信号量的运行结果如下：

可以看到，在1 -> 2阶段中，BC调用延时处于阻塞态，因此A运行。在2->3阶段中，A运行了一段时间后，B的延时结束，B开始抢占A进行运行。在2->3阶段中，B运行了一段时间后，C的延时结束，C开始抢占B进行运行。以上是正常的抢占流程。

在C抢占B之后，尝试获取信号量，但信号量已经被A所获取，还未进行释放，因此C进入了阻塞状态，之后B进行抢占到CPU继续执行。但B的优先级高于A，A不能够释放信号量，这样就导致了C永远处于阻塞态，只有当B释放CPU，A才能释放信号量，从而C才可以运行，这样就产生了优先级反转的问题。

互斥量的运行结果如下：

可以看到，在1 -> 2阶段中，BC调用延时处于阻塞态，因此A运行。在2->3阶段中，A运行了一段时间后，B的延时结束，B开始抢占A进行运行。在2->3阶段中，B运行了一段时间后，C的延时结束，C开始抢占B进行运行。以上是正常的抢占流程。

在C抢占B之后，尝试获取互斥量，但互斥量已经被A所获取，还未进行释放，因此A进行优先级的继承，此时A的优先级变成了3，即：4 -> 5阶段。在5->6阶段中，A的优先级为3，执行完成打印工作后，对互斥量进行了解锁，这时任务A的优先级变回原来的优先级1，C任务抢占A开始执行。

3、谁上锁，谁才能解锁实验

普通互斥量和二进制信号量并未实现谁上锁，谁才能解锁，这里使用普通互斥量与递归锁来进行对比，来验证递归锁能够实现谁上锁，谁才能解锁的功能。

具体代码实现如下：

QueueHandle_t SemaphoreHandleTest;void PrintFunction(void *param){while(1){//		/* 以下为互斥量测试 */
//		xSemaphoreTake(SemaphoreHandleTest,portMAX_DELAY);
//		printf("%s",(char*)param);
//		xSemaphoreGive(SemaphoreHandleTest);/* 以下为递归锁测试 */xSemaphoreTakeRecursive(SemaphoreHandleTest,portMAX_DELAY);printf("%s",(char*)param);xSemaphoreGiveRecursive(SemaphoreHandleTest);vTaskDelay(1);}
}
void BreakSemaphoreTask(void *param){vTaskDelay(1);while(1){//		/* 以下为互斥量测试 */
//		while(1){
//			
//			/* 如果获得不到锁，就直接往里面放一把锁 */
//			if(xSemaphoreTake(SemaphoreHandleTest,0) == pdFALSE){
//				xSemaphoreGive(SemaphoreHandleTest);
//			}else{
//				break;
//			}
//		}
//		printf("this is break\r\n");
//		xSemaphoreGive(SemaphoreHandleTest);/* 以下为递归锁测试 */while(1){/* 如果获得不到锁，就直接往里面放一把锁 */if(xSemaphoreTakeRecursive(SemaphoreHandleTest,0) == pdFALSE){xSemaphoreGiveRecursive(SemaphoreHandleTest);}else{break;}}printf("this is break\r\n");xSemaphoreGiveRecursive(SemaphoreHandleTest);vTaskDelay(1);}
}int main( void )
{TaskHandle_t xHandleTask1;TaskHandle_t xHandleTask2;TaskHandle_t xHandleTask3;prvSetupHardware();SerialPortInit();printf("UART TEST\r\n");//	/* 创建互斥量，初始值自动设置为 1 */
//	SemaphoreHandleTest = xSemaphoreCreateMutex();/* 创建递归锁，初始值自动设置为 1 */SemaphoreHandleTest = xSemaphoreCreateRecursiveMutex();xTaskCreate(PrintFunction,"TaskA",100,(void*)"this is TaskA\r\n",1,&xHandleTask1);xTaskCreate(PrintFunction,"TaskB",100,(void*)"this is TaskB\r\n",1,&xHandleTask2);xTaskCreate(BreakSemaphoreTask,"TaskC",100,(void*)NULL,1,&xHandleTask3);vTaskStartScheduler();return 0;
}

互斥量的运行结果如下：

可以看到，打印结果乱套了。这是因为在A上锁之后，C任务去放进去了一把锁，导致B任务原来在阻塞，突然获得了锁，执行了B任务中的printf。因此互斥量并没有实现谁上锁，谁才能够解锁的功能。

递归锁的运行结果如下：

可以看到，打印变得非常正常。这是因为递归锁可以实现谁上锁，谁才能够解锁，因此不能够再C中解开A的锁，从而执行结果变得正常。

4、递归上锁实验

在“ 谁上锁，谁才能解锁实验 ”的代码基础上进行修改，将打印函数修改为如下情况：

void PrintFunction(void *param){int i=0;while(1){//		/* 以下为互斥量测试 */
//		xSemaphoreTake(SemaphoreHandleTest,portMAX_DELAY);
//		printf("%s",(char*)param);
//		xSemaphoreGive(SemaphoreHandleTest);/* 以下为递归锁测试 */xSemaphoreTakeRecursive(SemaphoreHandleTest,portMAX_DELAY);for(i=0;i<5;i++){/* 递归上锁，上锁之后再上一次锁 */xSemaphoreTakeRecursive(SemaphoreHandleTest,portMAX_DELAY);printf("lock:%i\r\n",i);xSemaphoreGiveRecursive(SemaphoreHandleTest);}printf("%s",(char*)param);xSemaphoreGiveRecursive(SemaphoreHandleTest);vTaskDelay(1);}
}

运行结果如下：

可以看到lock0~4正常打印，说明并未产生阻塞的情况，递归锁可以递归上锁。