嵌入式OS入門筆記-以RTX爲案例：八.RTX的進程間通訊（二）
RTX的進程間通訊主要依賴於四種機制，分別是事件（Event），互斥鎖（Mutex），旗語或信號量（Semaphore），和郵箱（Mailbox）。前三種機制側重進程間的同步，郵箱則側重進程間的數據通訊。上一篇講了事件和互斥鎖。這次講一下信號量和郵箱。
1.信號量（Semaphore）
1.簡介
信號量其實是一個很抽象的操作系統原語，它最早由荷蘭計算機科學家Dijkstra提 出，用於解決多項資源的分配問題。實際上信號量的適用範圍非常廣，可以很好地解決很多問題。簡單說來，信號量有三個部分，第一部分就是一個代幣容器（一個 整形變量），記錄着可用的資源數，第二部分就是取用資源（P或者proberen，嘗試的荷蘭語）的操作，第三個就是還回資源（V或者verhogen, 增加的荷蘭語）的操作。當資源數量爲0時，任何取用資源的操作都會被阻斷，直到資源數量增加。剛剛接觸可能會覺得跟互斥鎖有點難區分，因爲RTX中信號量 的相關操作跟互斥鎖基本一致。先看看怎麼使用RTX中的信號量。
類似互斥鎖，首先要聲明一個信號量結構體。
OS_SEM semID;
然後需要初始化。
os_sem_init (semID,unsignedtoken_count);
這裏與互斥鎖不同的是，你需要指定初始的資源數，token_count，可以是任意非負整數，如果是0，就意味着一開始沒有資源可用。
然後當你需要取用資源時：
os_sen_wait (semID, timeout );
timeout的意義就不具體多說了，跟前面介紹的一致。如果成功取用了資源（token_count大於0），那麼token_count會減一，並且返回OS_R_OK。如果token_count爲0，那麼就沒辦法取用資源，那麼這個函數會返回OS_R_SEM，並且進程進入WAIT_SEM狀態。
當你用完了資源，需要返回資源時，（token_count增加1）：
os_sem_send (semID);
和互斥鎖不同的是，當前進程不需要擁有資源，也可以調用該服務，去增加資源數！
該服務的中斷版本：
isr_sem_set (semID);
2.信號量和互斥鎖的區別
一般的誤區是，信號量用於管理多個只能獨享的資源。我們重新考慮上一次提到的場景：整棟房子只有一個公共廁所（共享資源），要使用廁所就要去前臺拿鑰匙（互斥鎖），用完廁所後需要還鑰匙給前臺。在這種情況下，使用互斥鎖機制肯定沒問題，那麼使用信號量機制會有問題麼？
如果所有人（進程）都循規蹈矩，那沒問題。但如果有人沒有去廁所，但也還了一把鑰匙給前臺，那會發生什麼事？那就會有兩把鑰匙，通向同一個廁所，如果當前有 人在上廁所，另外一個人也想要上，前臺也會給鑰匙給第二個人，那麼就會發生尷尬的情況。這個在使用信號量時是有可能的，因爲當前進程不需要擁有資源，就能 夠os_sem_send!所以哪怕在這種最簡單的情況下，也是很有可能誤用信號量的。
複雜一點的情況，我們考慮如果有兩個公共廁所，如果使用互斥鎖，那就要聲明並初始化兩個互斥鎖，分別管理兩個廁所。那麼使用信號量機制，初始化一個os_sem_init (toilet,2);的信號量會不會有問題呢？如果我們不考慮有人惡意還鑰匙（os_sem_send誤用）的話，好像沒問題，因爲信號量本身就是爲了這樣的場景（管理多個獨享資源）而設計的？
實際上，一樣是會有問題的，因爲信號量實際上是不區分資源的，而且也不會記錄資源使用的順序。按照我們的例子，也就是說前臺會有兩把相同的鑰匙，任一一把都 可以打開兩個廁所。假設第一個人去前臺拿了一把鑰匙，進了廁所A，然後第二個人去前臺拿了第二把鑰匙，實際上第二個人是無法得知，兩個廁所裏面有沒有人， 如果有，是哪一個廁所裏面有人。所以，也很有可能會發生尷尬的情況。
總的來說，當多個獨享資源的先後順序無關時（例如，生產者和消費者問題），使用信號量才比較合適。
或者當進程本身同時是資源的佔用者和釋放者時，使用互斥鎖：
OS_MUTmutex;
os_mut_init(mutex);
...
/*Task 1 */
os_mut_wait(mutex,0xFFFF);
// Critical Section
os_mut_release(mutex);
...
/*Task 2 */
os_mut_wait(mutex,0xFFFF);
// Critical Section
os_mut_release(mutex);
...當資源的釋放者不一定是進程的佔用者時，使用信號量：
OS_SEMsempahore;
os_sem_init(semaphore,0);
...
/*Task 1 - Producer */
os_sem_wait(semaphore,0xFFFF); // Send the signal
...
/*Task 2 - Consumer */
os_sem_send(semaphore); // Wait for signal
...
3.幾個例子
信號量的用法實在是太豐富，而且很容易誤用，具體可以參見《The Little Book of Semaphores》和RTX的官方文檔，這裏摘幾個經典的用法（修改過）作爲例子：
Signaling
os_semsemaphore;
__taskvoid task1 (void) {
os_sem_init (semaphore, 0);
while (1) {
Function1();
os_sem_send (semaphore);
}
}
__taskvoid task2 (void) {
while (1) {
os_sem_wait (semaphore, 0xFFFF);
Function2();
}
}這個用法是用於保證不同函數的調用順序（這是C語言很缺乏的一個特徵），在這個例子裏面，信號量的作用就是確保在每一次調用Function2之前，Function1都有一次完整的調用。
Rendezvous
os_semArrived1, Arrived2;
__taskvoid task1 (void) {
os_sem_init (Arrived1, 0);
os_sem_init (Arrived2, 0);
while (1) {
FunctionA1 ();
os_sem_send (Arrived1);
os_sem_wait (Arrived2, 0xFFFF);
FunctionA2 ();
}
}
__taskvoid task2 (void) {
while (1) {
FunctionB1 ();
os_sem_send (Arrived2);
os_sem_wait (Arrived1, 0xFFFF);
FunctionB2 ();
}
}這個用法是更通用的Signaling用法，目的是讓FunctionA1，functionB1都完成以後，再執行FunctionA2和FunctionB2。
Multiplex
os_semMultiplex;
__taskvoid task(void){
os_sem_init (Multiplex, 5);
while (1) {
os_sem_wait (Multiplex, 0xFFFF);
Function ();
os_sem_send (Multiplex);
}
}
這個用法能保證最多隻有五個進程能夠同時調用Function（）；
更多的例子，請參考上面提到的材料。
2.郵箱（Mailbox）
1.簡介
郵箱在RTX中往往是用於在進程間傳輸大段數據。簡單說來，一個郵箱就是一個用戶定義長度的隊列。隊列的每一個單元都是4bytes長，一個單元可以直接保 存數據（32位），或者保存一個指針（地址），指向另外一段數據。用郵箱的一個問題就是要用戶手動分配內存和回收內存。下面先看看有哪些相關操作。
首先要創建一個郵箱，
os_mbx_declare(mailbox_name,mail_slots)；
在RTL.h中有這個的定義，具體是：
#define os_mbx_declare(name,cnt) U32name [4 + cnt]
也就是說郵箱其實是一個名字爲mailbox_name，長度爲mail_slots的U32數組。另外注意到，額外的4個slots，是用於管理郵箱的，而不是用來直接存儲信息的。
創建完郵箱後就要初始化這個郵箱：
os_mbx_init (&mailbox_name,sizeof(mailbox_name));
發信：
os_mbx_send(&mailbox,msg_ptr,timeout)；
這裏的msg_ptr實際上是一個指針，指向需要發送的信息，如果郵箱滿了，進程會被阻斷，進入WAIT_MBX狀態，直到有空間纔會返回就緒狀態。 timeout的用法和前面的timeout一致。
同樣地，在ISR中有一個相應版本：
isr_mbx_send(&mailbox,msg_ptr）;
這會先調用isr_mbx_check(),去檢查郵箱是否已經滿了，如果滿了就會放棄當前的信息，並且會被陷入os_error（）;
收信：
os_mbx_wait (&mailbox, &msg_ptr, timeout );
將收到的信息，存入msg_ptr指向的地址。如果郵箱是空的，進程則會被阻斷，進入WAIT_MBX狀態，直到有新的信息。
ISR的相應版本爲：
isr_mbx_receive(&mailbox,&msg_ptr）;
2.BOX內存分配
在用郵箱的過程中，會經常涉及到RTX的內存分配問題，如果是變長的內存分配，malloc（） 和 free（）這些標準函數可以勝任，但RTX另外提供了一種處理定長內存塊的機制-BOX。
這裏大致簡單說一下，具體的用法請參考完整的郵箱例子。
_declare_box(box_name,block_size,block_count);
_init_box(box_name,box_size,block_size);
_alloc_box(box_name);
_calloc_box(box_name);
_free_box(box_name,)
基本上從名字就能知道其意義，和stdlib.h中的標準函數基本對應。
3.一個完整的例子
這個例子源於《RL-ARMUser's Guide》，小幅度修改：
os_mbx_declare(MsgBox, 16); /* Declare an RTX mailbox */
U32 mpool[16*(2*sizeof(U32))/4 + 3]; /* Reserve a memory for 16 messages */
__task void rec_task (void);
__task void send_task (void) {
/* This task will send a message. */
U32 *mptr;
os_tsk_create (rec_task, 0);
os_mbx_init (MsgBox, sizeof(MsgBox));
mptr = _alloc_box (mpool); /* Allocate a memory for the message */
mptr[0] = 0x3215fedc; /* Set the message content. */
mptr[1] = 0x00000015;
os_mbx_send (MsgBox, mptr, 0xffff); /* Send a message to a 'MsgBox' */
os_tsk_delete_self ();
}
__task void rec_task (void) {
/* This task will receive a message. */
U32 *rptr, rec_val[2];
os_mbx_wait (MsgBox, (void**)&rptr,0xffff); /* Wait for the message to arrive. */
rec_val[0] = rptr[0]; /* Store the content to 'rec_val' */
rec_val[1] = rptr[1];
_free_box (mpool, rptr); /* Release the memory block */
os_tsk_delete_self ();
}
int main (void) {
_init_box (mpool, sizeof(mpool),sizeof(U32));
os_sys_init(send_task);
}3.小結
這一部分是RTX中內容很豐富的一部分，簡短的三言兩語也許很難概括清楚，這裏也只是講了一些基本的用法。接下來會分析一些並行會遇到的問題。