RT-Thread移植到S5P4418（四）：線程同步

同步是指按預定的先後次序進行運行，線程同步是指多個線程通過特定的機制（如互斥量，事件對象，臨界區）來控制線程之間的執行順序，也可以說是在線程之間通過同步建立起執行順序的關係，如果沒有同步，那線程之間將是無序的。

線程的同步方式有很多種，其核心思想都是：在訪問臨界區的時候只允許一個 (或一類) 線程運行。

RT-Thread實現了三種線程間同步方式，信號量（semaphore）、互斥量（mutex）、和事件集（event）。

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信號量

信號量可以實現多個同類資源的多線程互斥和同步。
特性：

• 不支持所有權，所有線程都可以操作。
• 遞歸訪問可能造成死鎖。
• 二值信號量類似互斥量，可能產生優先級反轉。

使用場景：

• 線程同步。當持有信號量的線程完成它處理的工作時，釋放這個信號量，可以把等待在這個信號量上的線程喚醒，讓它執行下一部分工作。這類場合也可以看成把信號量用於工作完成標誌：持有信號量的線程完成它自己的工作，然後通知等待該信號量的線程繼續下一部分工作。
• 鎖。二值信號量，保護臨界區資源。
• 中斷與線程的同步。中斷服務例程需要通知線程進行相應的數據處理。中斷與線程間的互斥不能採用信號量（鎖）的方式，而應採用開關中斷的方式。
• 資源計數。例如生產者與消費者，生產者可以對信號量進行多次釋放，而後消費者被調度到時能夠一次處理多個信號量資源。

信號量控制塊

信號量的值對應了信號量對象的實例數目、資源數目，假如信號量值爲 5，則表示共有 5 個信號量實例（資源）可以被使用，當信號量實例數目爲零時，再申請該信號量的線程就會被掛起在該信號量的等待隊列上，等待可用的信號量實例（資源）。

struct rt_ipc_object{
    struct rt_object parent;

    rt_list_t suspend_thread;   /* 被掛起線程 */
};

struct rt_semaphore
{
    struct rt_ipc_object parent;                        /**< inherit from ipc_object */

    rt_uint16_t          value;                         /**< value of semaphore. */
};
typedef struct rt_semaphore *rt_sem_t;

信號量初始化

sem->parent.parent.flag信號量標誌參數決定了當信號量不可用時，多個線程等待的排隊方式。當選擇 RT_IPC_FLAG_FIFO（先進先出）方式時，那麼等待線程隊列將按照先進先出的方式排隊，先進入的線程將先獲得等待的信號量；當選擇 RT_IPC_FLAG_PRIO（優先級等待）方式時，等待線程隊列將按照優先級進行排隊，優先級高的等待線程將先獲得等待的信號量。

rt_err_t rt_sem_init(rt_sem_t sem, const char *name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag)
{
    rt_object_init(&(sem->parent.parent), RT_Object_Class_Semaphore, name);

    rt_ipc_object_init(&(sem->parent));

    sem->value = value;

    sem->parent.parent.flag = flag;

    return RT_EOK;
}

獲取信號量

線程通過 rt_sem_take() 來獲取信號量資源實例。當信號量值大於0時，線程獲得信號量，同時該信號量值減1；當信號量值等於0時，表示資源不可用，線程通過time參數立即返回或掛起。

• ipc.c: 119

釋放信號量

釋放信號量時，先判斷是否有掛起線程。有則喚起一個，信號量值不變化；無則信號量值加一。

• ipc.c: 168

工程文件

線程2釋放信號量，線程1獲取。

• rtt2a9_semaphore

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互斥量

互斥量只能用於單個資源的互斥訪問。一種特殊的二值信號量。
特性：

• 支持所有權，只有擁有該互斥量的線程才能操作。
• 支持遞歸訪問。
• 通過優先級繼承算法降低優先級反轉問題產生的影響。

使用場景：

• 線程多次持有互斥量的情況下。這樣可以避免同一線程多次遞歸持有而造成死鎖的問題。
• 可能會由於多線程同步而造成優先級翻轉的情況。

互斥量控制塊

struct rt_mutex
{
    struct rt_ipc_object parent;                /* 繼承自 ipc_object 類 */

    rt_uint16_t          value;                 /* 互斥量的值 */
    rt_uint8_t           original_priority;     /* 持有線程的原始優先級 */
    rt_uint8_t           hold;                  /* 持有線程的持有次數   */
    struct rt_thread    *owner;                 /* 當前擁有互斥量的線程 */
};
typedef struct rt_mutex* rt_mutex_t;

互斥量初始化

rt_err_t rt_mutex_init(rt_mutex_t mutex, const char *name, rt_uint8_t flag){
    RT_ASSERT(mutex != RT_NULL);

    rt_object_init(&mutex->parent.parent, RT_Object_Class_Mutex, name);

    rt_ipc_object_init(&mutex->parent);

    mutex->parent.parent.flag = flag;
    mutex->value = 1;
    mutex->original_priority = RT_THREAD_PRIORITY_MAX - 1;
    mutex->hold = 0;
    mutex->owner = RT_NULL;

    return RT_EOK;
}

獲取互斥量

rt_err_t rt_mutex_take(rt_mutex_t mutex, rt_int32_t time)
線程獲取了互斥量，那麼線程就有了對該互斥量的所有權，即某一個時刻一個互斥量只能被一個線程持有。
如果互斥量已經被當前線程控制，則持有數mutex.hold加一。如果互斥量被其他線程佔有，則當前線程在互斥量上掛起等待，直到其他線程釋放互斥量或等待時間超時，同時，如果當前線程的優先級高於互斥量擁有者的優先級，會發生優先級繼承。

• ipc.c: 216

釋放互斥量

rt_err_t rt_mutex_release(rt_mutex_t mutex)
只有互斥量的擁有者才能釋放互斥量，持有數mutex.hold減一。如果持有數變成零，則判斷是否有線程掛起，有則喚起。

• ipc.c: 276

工程文件

thread1和thread2對全局變量number進行加1操作，都執行200000次，有mutex保護時，結果正確，開銷大。

• rtt2a9_mutex
  

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事件集

事件集用一個 32 位無符號整型變量來表示，變量的每一位代表一個事件。

事件集控制塊

struct rt_event
{
    struct rt_ipc_object parent;     /**< inherit from ipc_object */

    rt_uint32_t          set;        /* 事件集合，每一 bit 表示 1 個事件，bit 位的值可以標記某事件是否發生 */
};
typedef struct rt_event *rt_event_t;

發送事件

rt_err_t rt_event_send(rt_event_t event, rt_uint32_t set)
發送事件時遍歷事件集的掛起線程，判斷是否有線程的事件激活要求與當前 event 對象事件標誌值匹配，如果有，則喚醒該線程。

• ipc.c: 447

接收事件

rt_err_t rt_event_recv(rt_event_t event, rt_uint32_t set, rt_uint8_t option, rt_int32_t timeout, rt_uint32_t *recved)
或者叫等待事件觸發。系統首先根據 set 參數和接收選項 option 來判斷它要接收的事件是否發生，如果已經發生，則根據參數 option 上是否設置有 RT_EVENT_FLAG_CLEAR 來決定是否重置事件的相應標誌位，然後返回。如果沒有發生，則把等待的 set 和 option 參數填入線程本身的結構中，然後把線程掛起在此事件上，直到其等待的事件滿足條件或等待時間超過指定的超時時間。

• ipc.c: 507

工程文件

• rtt2a9_event