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RTOS学习笔记---“二值信号量”和“互斥信号量”

2024/11/30 20:45:05 来源:https://blog.csdn.net/m0_63903713/article/details/143981108  浏览:    关键词:RTOS学习笔记---“二值信号量”和“互斥信号量”

在实时操作系统(RTOS)中,“二值信号量”和“互斥信号量”是两种常见的同步机制,用于线程之间的协调与资源管理。尽管它们有相似之处,都基于信号量概念,但它们的用途和行为存在重要区别。


1. 二值信号量(Binary Semaphore)

定义与特点:
  • 二值信号量是信号量的一种特殊形式,其值只能为0或1。
  • 典型用途
    • 用于任务同步:协调任务之间的执行顺序。例如,一个任务完成某件事情后,通知另一个任务继续执行。
    • 用于事件通知:某个中断或事件发生时,通过二值信号量唤醒等待的任务。
工作机制:
  1. 初始化值:二值信号量通常初始化为1(表示资源可用)或0(表示需要等待资源)。
  2. 取信号量(Pend或Wait):如果信号量值为1,任务可以成功获取(同时信号量值置为0);如果信号量值为0,任务会进入等待状态,直到信号量被释放。
  3. 释放信号量(Post或Give):释放信号量后,其值变为1,并唤醒等待的任务(如果有)。
关键特性:
  • 不具备所有权:二值信号量没有归属概念,任何任务都可以释放信号量,而不仅仅是获取信号量的任务。
  • 不防止优先级反转:二值信号量没有处理优先级反转(Priority Inversion)的机制。

2. 互斥信号量(Mutex Semaphore)

定义与特点:
  • 互斥信号量(Mutex)是设计用于任务间互斥访问共享资源的同步机制。
  • 它是一种特殊的二值信号量,带有所有权和优先级继承的功能。
工作机制:
  1. 初始化值:互斥信号量初始值为1,表示资源可用。
  2. 取信号量(Pend或Lock):当一个任务获取互斥信号量后,其他任务无法获取(互斥信号量值变为0)。
  3. 释放信号量(Post或Unlock):仅拥有信号量的任务可以释放它,其他任务会继续等待,直到信号量被释放。
关键特性:
  • 具备所有权:互斥信号量由当前持有者“拥有”,只有当前持有任务可以释放信号量。
  • 防止优先级反转:互斥信号量采用优先级继承机制(Priority Inheritance)。当高优先级任务等待互斥信号量时,低优先级持有者会暂时提升其优先级到高优先级,直至释放信号量。
  • 用于互斥资源管理:专门设计用于保护共享资源,避免竞争条件。

3. 二值信号量和互斥信号量的主要区别

区别点二值信号量互斥信号量
核心用途任务同步、事件通知互斥访问共享资源
所有权无所有权,任何任务均可释放信号量具有所有权,只有持有信号量的任务可以释放
优先级反转处理不处理优先级反转通过优先级继承机制防止优先级反转
复杂性简单,轻量更复杂,适用于需要严格资源保护的场景
适用场景中断与任务之间的同步、任务之间的执行顺序协调多任务对共享资源的访问控制
效率开销较低开销稍高,特别是带优先级继承机制的实现

4. 实际应用场景举例

二值信号量:
  • 中断与任务同步:例如,硬件中断发生时释放二值信号量,通知等待的任务处理数据。
  • 任务间简单协调:任务 A 完成初始化,释放信号量,让任务 B 继续执行。
互斥信号量:
  • 共享资源保护:多个任务需要访问同一个文件、硬件设备或数据结构时,使用互斥信号量避免同时访问。
  • 防止优先级反转:在高实时性场景中确保高优先级任务不被低优先级任务阻塞。

5. 总结

  • 二值信号量强调简单的同步与通知,不涉及资源管理。
  • 互斥信号量专注于对共享资源的互斥访问,并解决多任务调度中的优先级问题。
  • 在实际开发中,根据应用场景选择合适的同步机制是关键。如果仅需要同步和事件通知,二值信号量更简单高效;而需要保护共享资源时,互斥信号量是更合适的选择。

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