深入理解和实现RTOS_连载7_信号量机制概述

信号量机制概述

在实际的多任务应用中，任务间、任务和ISR间经常要同步彼此的执行步骤，内核大多通过信号量这种内核对象来实现这个功能。信号量是一种统称，常见的信号量主要有三种：二值信号量、计数信号量和互斥信号量，它们各有自己典型的使用模式。从使用目的角度考虑，作者更希望把互斥信号量和另外两种信号量的概念区分开来。

飞鸟RTOS目前支持二值信号量、计数信号量和互斥信号量。其中二值信号量和计数信号量是在一起设计实现的，而互斥信号量则是单独实现的。在本文的描述中，前两者经常统称为信号量，而后者被称为互斥量。本篇主要介绍二值信号量和计数信号量的概念、设计实现和典型的使用模式。

信号量的基本知识

信号量用于同步的时候就像交通灯，任务只有在获得许可的时候才可以运行，强调的是运行步骤；信号量用于互斥的时候就像一把钥匙，它强调只有获得钥匙的任务才可以运行，强调的是许可和权限。信号量只用于同步或者互斥操作，它不具备任何数据交换的功能。

二值信号量的概念

二值信号量只能取两个值，作为资源是否可用的标记，或者用来同步任务。当它被创建的时候，初始值可以在0或1中任选，这是根据应用的需要来设置的。需要注意的是二值信号量可以被任何任务或者ISR释放，甚至在它们从来没有获得过二值信号量的情况下。

二值信号量的状态

二值信号量通常拥有2种状态：可用和不可用。根据需要，二值当信号量可以被初始化成可用或者不可用。以初始状态为不可用为例，当有任务释放信号量时，它的状态转为可用。当有任务获得信号量后，它的状态随之变为不可用。随着任务对二值信号量的操作，它的状态在这2种情况下相互转换，符合有限状态机机制。

当二值信号量处于不可用的状态的时候，如果有任务来获取，那么该任务或者直接返回失败，或者阻塞到该二值信号量上，直到该二值信号量可用或者任务阻塞时限期满；当二值信号量处于可用状态的时候，如果有任务来释放信号量，那么该任务或者直接返回失败，或者阻塞到该信号量上。注意ISR操作信号量的时候，只能立刻返回操作结果，这是因为ISR 不能被阻塞。

下图描述了二值信号量的状态迁移和原因：

图4-1 二值信号量状态迁移图

任务阻塞队列

二值信号量具有任务阻塞的能力，名义上二值信号量拥有两个不同类型的任务阻塞队列，代表了获取信号量的任务阻塞队列和释放信号量的任务阻塞待队列。而实现上只需要一个任务阻塞队列就可以了，因为不可能同时阻塞这样的两个任务：一个不能获取信号量而另一个不能释放信号量。

需要注意的是，当二值信号量为不可用的时候，如果有任务处于二值信号量的任务阻塞队列中，说明当前二值信号量的任务阻塞队列是信号量获取任务队列。如果此时有任务释放二值信号量，可以直接从二值信号量的任务阻塞队列中找到一个合适的任务，并直接使得它获取信号量成功，同时二值信号量的状态不变。同理，在二值信号量可用的时候，如果有任务处于二值信号量的任务阻塞队列，说明当前二值信号量的任务阻塞队列是信号量释放任务队列, 假如此时有任务来获取信号量，可以从二值信号量的任务阻塞队列中找到一个合适的任务，并直接使得它释放信号量成功。此时二值信号量状态同样保持不变。

计数信号量的概念

计数信号量通常用来表示资源可用的个数。它提供一个计数器给任务或者ISR来使用，计数器的数值代表了还有多少个资源可以使用，数值0说明没有资源可供使用。任务或者ISR可以多次获取一个计数信号量，直到它的计数减小到0为止。和二值信号量一样，计数信号量可以被任何任务或者ISR释放，哪怕它们从来没有获得过该计数信号量。

计数信号量状态

计数信号量通常可以按照计数的多少来区分其状态。根据需要，计数信号量可以被初始化任何状态。以计数初始化为0为例，此时它处于不可获取，可以释放的状态。当有任务释放信号量时候，它转为1，即可以获取、可以释放的状态。当任务继续释放信号量，当计数达到最大的时候，它的状态为不可释放，可以获得的状态。随着计数信号量的获取和释放，计数信号量的状态在这3种情况下相互转换，符合有限状态机机制。下图描述了计数信号量的状态迁移和原因：

图4‐2 计数信号量状态迁移图

任务阻塞队列

计数信号量具有任务阻塞的能力，名义上计数信号量拥有两个不同类型的任务阻塞队列，代表了获取信号量的任务阻塞队列和释放信号量的任务阻塞待队列。而实现上只需要一个任务阻塞队列就可以了，因为不可能同时阻塞这样的两个任务：一个不能获取信号量而另一个不能释放信号量。

需要注意的是，当计数信号量为不可获取的时候，即计数为0的时候，如果有任务处于计数信号量的任务阻塞队列中，说明当前计数信号量的任务阻塞队列是信号量获取任务队列。如果此时有任务释放计数信号量，可以直接从计数信号量的任务阻塞队列中找到一个合适的任务，并直接使得它获取信号量成功，同时计数信号量的状态不变；同理，在计数信号量可获取、不可释放的时候，即计数达到最大的时候，如果有任务处于计数信号量的任务阻塞队列，说明当前计数信号量的任务阻塞队列是信号量释放任务队列, 假如此时有任务来获取信号量，可以从计数信号量的任务阻塞队列中找到一个合适的任务，并直接使得它释放信号量成功。此时计数信号量状态同样保持不变；当计数信号量的计数处于0和最大值之间时，此时计数信号量可以被获取也可以被释放，其任务阻塞队列中不会有任务被阻塞。

信号量的操作

常见信号量的操作主要包括以下几种：

功能 操作 功能

1create 信号量创建

2delete 信号量删除

3obtain 信号量获取

4release 信号量释放

5flush 信号量任务阻塞队列的刷新

6query 信号量状态查询

表 4‐1 信号量常见操作

z Create 信号量创建

信号量结构可以被系统分配或者初始化，在创建信号量时，用户可以指定信号量的

各种参数属性。比如针对多个任务在信号量上的阻塞和调度方式：既可以配置成