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RTOS实时系统-信号量如何确保一次只有一个任务可以访问某个资源

news 2025/7/8 22:33:30

一、信号量的工作原理

二、二值信号量（Binary Semaphore）

示例代码

三、解释

四、运行结果

五、输出结果解释

六、注意事项

信号量（Semaphore）是一种同步机制，用于控制对共享资源的访问。信号量可以确保一次只有一个任务可以访问某个资源，从而避免多个任务同时访问同一资源导致的竞争条件。下面是信号量如何控制对共享资源的访问的具体步骤和示例：

一、信号量的工作原理

初始化：创建一个信号量，并设置其初始计数值。
获取（Acquire）：任务在访问共享资源之前，尝试获取信号量。如果信号量的计数值大于0，则任务成功获取信号量，计数值减1；如果计数值为0，则任务会被阻塞，直到有其他任务释放信号量。
释放（Release）：任务在完成对共享资源的访问后，释放信号量，信号量的计数值加1。如果有其他任务正在等待该信号量，那么其中一个任务会被唤醒并继续执行。

二、二值信号量（Binary Semaphore）

二值信号量是最简单的信号量形式，其计数值只能是0或1。它类似于互斥锁（Mutex），但有一些细微的区别，如不支持递归锁定和优先级继承等特性。

示例代码

以下是一个使用 CMSIS-RTOS v2 API 的示例，展示了如何使用信号量来控制对共享资源的访问：

深色版本

#include "cmsis_os2.h"
#include <stdio.h>// 信号量属性
const osSemaphoreAttr_t semaphore_attr = {.name = "MySemaphore",
};// 共享资源
int shared_resource = 0;// 任务函数
void Task1(void *argument) {osSemaphoreId_t semaphore_id = (osSemaphoreId_t)argument;while (1) {// 获取信号量osStatus_t status = osSemaphoreAcquire(semaphore_id, osWaitForever);if (status == osOK) {printf("Task 1: Acquired semaphore\n");// 访问共享资源shared_resource++;printf("Task 1: Shared resource value: %d\n", shared_resource);// 释放信号量status = osSemaphoreRelease(semaphore_id);if (status == osOK) {printf("Task 1: Released semaphore\n");} else {// 处理释放信号量失败的情况while (1);}} else {// 处理获取信号量失败的情况while (1);}// 延迟一段时间osDelay(500);}
}void Task2(void *argument) {osSemaphoreId_t semaphore_id = (osSemaphoreId_t)argument;while (1) {// 获取信号量osStatus_t status = osSemaphoreAcquire(semaphore_id, osWaitForever);if (status == osOK) {printf("Task 2: Acquired semaphore\n");// 访问共享资源shared_resource--;printf("Task 2: Shared resource value: %d\n", shared_resource);// 释放信号量status = osSemaphoreRelease(semaphore_id);if (status == osOK) {printf("Task 2: Released semaphore\n");} else {// 处理释放信号量失败的情况while (1);}} else {// 处理获取信号量失败的情况while (1);}// 延迟一段时间osDelay(500);}
}int main(void) {// 初始化 RTOSosKernelInitialize();// 创建二值信号量osSemaphoreId_t semaphore_id = osSemaphoreNew(1, 1, &semaphore_attr);if (semaphore_id == NULL) {// 处理信号量创建失败的情况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 *)semaphore_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 *)semaphore_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，我们创建了一个二值信号量 semaphore_id，初始计数值为1。
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。
获取信号量：
- 在每个任务中，首先调用 osSemaphoreAcquire 来获取信号量。如果信号量的计数值大于0，则任务成功获取信号量，计数值减1；否则，任务会被阻塞，直到有其他任务释放信号量。
访问共享资源：
- 一旦任务成功获取了信号量，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。
释放信号量：
- 任务在完成对共享资源的访问后，调用 osSemaphoreRelease 释放信号量，信号量的计数值加1。如果有其他任务正在等待该信号量，那么其中一个任务会被唤醒并继续执行。

通过这种方式，信号量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。

四、运行结果

由于 Task1 和 Task2 是并发执行的，并且使用了信号量来保护共享资源 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 semaphore
Task 1: Shared resource value: 1
Task 1: Released semaphore
Task 2: Acquired semaphore
Task 2: Shared resource value: 0
Task 2: Released semaphore
Task 1: Acquired semaphore
Task 1: Shared resource value: 1
Task 1: Released semaphore
Task 2: Acquired semaphore
Task 2: Shared resource value: 0
Task 2: Released semaphore
...

五、输出结果解释

信号量的作用：信号量确保 shared_resource 只能被一个任务在某一时刻访问。例如，当 Task1 获取了信号量并增加 shared_resource 的值时，Task2 必须等待 Task1 释放信号量后才能获取信号量并减少 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信号量时会有相应的输出。