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RTOS实时系统-互斥锁如何保确保同一时间只有一个任务可以访问该资源

news 2025/7/9 0:25:53

一、互斥锁的工作原理

二、示例代码

三、解释

四、运行结果

五、输出结果解释

六、注意事项

互斥锁（Mutex）是一种同步机制，用于保护共享资源，确保同一时间只有一个任务可以访问该资源。互斥锁通过以下方式实现对共享资源的保护：

独占性：互斥锁确保在任何时刻，最多只有一个任务可以持有该锁。如果一个任务已经持有了互斥锁，其他试图获取该锁的任务会被阻塞，直到当前持有锁的任务释放它。
递归性：某些互斥锁支持递归锁定，即同一个任务可以多次获取同一个互斥锁而不会导致死锁。每次获取锁时，计数器会增加；每次释放锁时，计数器会减少。只有当计数器归零时，锁才会被完全释放，并允许其他任务获取。
优先级继承：互斥锁可以配置为支持优先级继承，以防止优先级反转问题。当高优先级的任务等待低优先级任务持有的互斥锁时，低优先级任务会暂时提升到高优先级任务的优先级，以确保高优先级任务能够尽快获得锁并继续执行。

一、互斥锁的工作原理

初始化：创建一个互斥锁，并设置其初始状态。
获取（Acquire）：任务在访问共享资源之前，尝试获取互斥锁。如果互斥锁未被其他任务持有，则任务成功获取互斥锁；否则，任务会被阻塞，直到互斥锁被释放。
释放（Release）：任务在完成对共享资源的访问后，释放互斥锁。如果有其他任务正在等待该互斥锁，那么其中一个任务会被唤醒并继续执行。

二、示例代码

以下是一个使用 CMSIS-RTOS v2 API 的示例，展示了如何使用互斥锁来保护共享资源：

深色版本

#include "cmsis_os2.h"
#include <stdio.h>// 互斥锁属性
const osMutexAttr_t mutex_attr = {.name = "MyMutex",.attr_bits = osMutexRecursive | osMutexPrioInherit,  // 可选属性
};// 共享资源
int shared_resource = 0;// 任务函数
void Task1(void *argument) {osMutexId_t mutex_id = (osMutexId_t)argument;while (1) {// 获取互斥锁osStatus_t status = osMutexAcquire(mutex_id, osWaitForever);if (status == osOK) {printf("Task 1: Acquired mutex\n");// 访问共享资源shared_resource++;printf("Task 1: Shared resource value: %d\n", shared_resource);// 模拟一些工作for (int i = 0; i < 5; ++i) {printf("Task 1: Working...\n");osDelay(100);}// 释放互斥锁status = osMutexRelease(mutex_id);if (status == osOK) {printf("Task 1: Released mutex\n");} else {// 处理释放互斥锁失败的情况while (1);}} else {// 处理获取互斥锁失败的情况while (1);}// 延迟一段时间osDelay(500);}
}void Task2(void *argument) {osMutexId_t mutex_id = (osMutexId_t)argument;while (1) {// 获取互斥锁osStatus_t status = osMutexAcquire(mutex_id, osWaitForever);if (status == osOK) {printf("Task 2: Acquired mutex\n");// 访问共享资源shared_resource--;printf("Task 2: Shared resource value: %d\n", shared_resource);// 模拟一些工作for (int i = 0; i < 5; ++i) {printf("Task 2: Working...\n");osDelay(100);}// 释放互斥锁status = osMutexRelease(mutex_id);if (status == osOK) {printf("Task 2: Released mutex\n");} else {// 处理释放互斥锁失败的情况while (1);}} else {// 处理获取互斥锁失败的情况while (1);}// 延迟一段时间osDelay(500);}
}int main(void) {// 初始化 RTOSosKernelInitialize();// 创建互斥锁osMutexId_t mutex_id = osMutexNew(&mutex_attr);if (mutex_id == NULL) {// 处理互斥锁创建失败的情况while (1);}// 创建任务const osThreadAttr_t thread_attr1 = {.name = "Task1",.stack_size = 512,.priority = (osPriority_t)osPriorityNormal,};osThreadId_t thread_id1 = osThreadNew(Task1, (void *)mutex_id, &thread_attr1);if (thread_id1 == NULL) {// 处理任务创建失败的情况while (1);}const osThreadAttr_t thread_attr2 = {.name = "Task2",.stack_size = 512,.priority = (osPriority_t)osPriorityNormal,};osThreadId_t thread_id2 = osThreadNew(Task2, (void *)mutex_id, &thread_attr2);if (thread_id2 == NULL) {// 处理任务创建失败的情况while (1);}// 启动 RTOS 调度器osKernelStart();// 不会到达这里while (1);
}

三、解释

初始化：
- 在 main 函数中，我们创建了一个互斥锁 mutex_id，并设置了递归和优先级继承属性。
任务定义：
- Task1 和 Task2 是两个任务，它们都试图访问同一个共享资源 shared_resource。
获取互斥锁：
- 在每个任务中，首先调用 osMutexAcquire 来获取互斥锁。如果互斥锁未被其他任务持有，则任务成功获取互斥锁；否则，任务会被阻塞，直到互斥锁被释放。
访问共享资源：
- 一旦任务成功获取了互斥锁，就可以安全地访问共享资源。在这个示例中，Task1 增加 shared_resource 的值，而 Task2 减少 shared_resource 的值。
释放互斥锁：
- 任务在完成对共享资源的访问后，调用 osMutexRelease 释放互斥锁。如果有其他任务正在等待该互斥锁，那么其中一个任务会被唤醒并继续执行。

通过这种方式，互斥锁确保了一次只有一个任务可以访问共享资源，从而避免了竞争条件。同时，递归锁定和优先级继承等特性提供了额外的灵活性和安全性。

四、运行结果

由于 Task1 和 Task2 是并发执行的，并且使用了互斥锁来保护共享资源 shared_resource，因此可以确保在同一时间只有一个任务可以访问和修改 shared_resource。以下是可能的运行结果示例：

深色版本

Task 1: Acquired mutex
Task 1: Shared resource value: 1
Task 1: Working...
Task 1: Working...
Task 1: Working...
Task 1: Working...
Task 1: Working...
Task 1: Released mutex
Task 2: Acquired mutex
Task 2: Shared resource value: 0
Task 2: Working...
Task 2: Working...
Task 2: Working...
Task 2: Working...
Task 2: Working...
Task 2: Released mutex
Task 1: Acquired mutex
Task 1: Shared resource value: 1
Task 1: Working...
Task 1: Working...
Task 1: Working...
Task 1: Working...
Task 1: Working...
Task 1: Released mutex
Task 2: Acquired mutex
Task 2: Shared resource value: 0
Task 2: Working...
Task 2: Working...
Task 2: Working...
Task 2: Working...
Task 2: Working...
Task 2: Released mutex
...

五、输出结果解释

互斥锁的作用：互斥锁确保 shared_resource 只能被一个任务在某一时刻访问。例如，当 Task1 获取了互斥锁并增加 shared_resource 的值时，Task2 必须等待 Task1 释放互斥锁后才能获取互斥锁并减少 shared_resource 的值。
交替执行：由于 Task1 和 Task2 的优先级相同，且每次操作后都有 500 毫秒的延迟，所以它们会交替执行。每次 Task1 增加 shared_resource 的值，Task2 就会减少 shared_resource 的值，从而保持 shared_resource 的值在 0 和 1 之间变化。
输出顺序：具体的输出顺序可能会有所不同，因为任务调度是基于 RTOS 的调度策略，但总体上 Task1 和 Task2 会交替执行，每个任务在获取和释放互斥锁时会有相应的输出。