4.7 信号量

      概述

      基本概念

      信号量（Semaphore）是一种实现任务间通信的机制，实现任务之间同步或临界资源的互斥访问。常用于协助一组相互竞争的任务来访问临界资源。

      在多任务系统中，各任务之间需要同步或互斥实现临界资源的保护，信号量功能可以为用户提供这方面的支持。

      通常一个信号量的计数值用于对应有效的资源数，表示剩下的可被占用的互斥资源数。其值的含义分两种情况：

      • 0，表示没有积累下来的Post操作，且有可能有在此信号量上阻塞的任务。

      • 正值，表示有一个或多个Post下来的释放操作。

      以同步为目的的信号量和以互斥为目的的信号量在使用有如下不同：

      • 用作互斥时，信号量创建后记数是满的，在需要使用临界资源时，先取信号量，使其变空，这样其他任务需要使用临界资源时就会因为无法取到信号量而阻塞，从而保证了临界资源的安全。

      • 用作同步时，信号量在创建后被置为空，任务1取信号量而阻塞，任务2在某种条件发生后，释放信号量，于是任务1得以进入READY或RUNNING态，从而达到了两个任务间的同步。

      运作机制

      信号量控制块 

      1. /
      2.   @ingroup los_sem
      3.   Semaphore control structure.
      4.  */
      5. typedef struct
      6. {
      7.     UINT16           usSemStat;          /是否使用标志位/
      8.     UINT16          uwSemCount;         /**信号量索引号/
      9.     UINT16          usMaxSemCount;      /信号量最大数*/
      10.     UINT16          usSemID;            /信号量计数/
      11.     LOS_DL_LIST     stSemList;          /**挂接阻塞于该信号量的任务/
      12. }SEM_CB_S;

      信号量运作原理

      信号量初始化，为配置的N个信号量申请内存（N值可以由用户自行配置，受内存限制），并把所有的信号量初始化成未使用，并加入到未使用链表中供系统使用。

      信号量创建，从未使用的信号量链表中获取一个信号量资源，并设定初值。

      信号量申请，若其计数器值大于0，则直接减1返回成功。否则任务阻塞，等待其它任务释放该信号量，等待的超时时间可设定。当任务被一个信号量阻塞时，将该任务挂到信号量等待任务队列的队尾。

      信号量释放，若没有任务等待该信号量，则直接将计数器加1返回。否则唤醒该信号量等待任务队列上的第一个任务。

      信号量删除，将正在使用的信号量置为未使用信号量，并挂回到未使用链表。

      信号量允许多个任务在同一时刻访问同一资源，但会限制同一时刻访问此资源的最大任务数目。访问同一资源的任务数达到该资源的最大数量时，会阻塞其他试图获取该资源的任务，直到有任务释放该信号量。

      信号量运作示意图
      4.7.信号量 - 图1

      开发指导

      使用场景

      信号量是一种非常灵活的同步方式，可以运用在多种场合中，实现锁、同步、资源计数等功能，也能方便的用于任务与任务，中断与任务的同步中。

      功能

      Huawei LiteOS 系统中的信号量模块为用户提供下面几种功能。

      功能分类 接口名 描述
      信号量的创建和删除 LOS_SemCreate 创建信号量
      LOS_BinarySemCreate 创建二进制信号量
      LOS_SemDelete 删除指定的信号量
      信号量的申请和释放 LOS_SemPend 申请指定的信号量
      LOS_SemPost 释放指定的信号量

      开发流程

      信号量的开发典型流程：

      1. 创建信号量LOS_SemCreate。

      2. 申请信号量LOS_SemPend。

        信号量有三种申请模式：无阻塞模式、永久阻塞模式、定时阻塞模式

        • 无阻塞模式：任务需要申请信号量，若当前信号量的任务数没有到信号量设定的上限，则申请成功。否则，立即返回申请失败

        • 永久阻塞模式：任务需要申请信号量，若当前信号量的任务数没有到信号量设定的上限，则申请成功。否则，该任务进入阻塞态，系统切换到就绪任务中优先级最高者继续执行。任务进入阻塞态后，直到有其他任务释放该信号量，阻塞任务才会重新得以执行

        • 定时阻塞模式：任务需要申请信号量，若当前信号量的任务数没有到信号量设定的上限，则申请成功。否则，该任务进入阻塞态，系统切换到就绪任务中优先级最高者继续执行。任务进入阻塞态后，指定时间超时前有其他任务释放该信号量，或者用户指定时间超时后，阻塞任务才会重新得以执行

      3. 释放信号量LOS_SemPost。

        • 如果有任务阻塞于指定信号量，则唤醒该信号量阻塞队列上的第一个任务。该任务进入就绪态，并进行调度

        • 如果没有任务阻塞于指定信号量，释放信号量成功

      4. 删除信号量LOS_SemDelete。

      信号量错误码

      对可能导致信号量操作失败的情况，包括创建信号量、申请信号量、释放信号量、删除信号量等，均需要返回对应的错误码，以便快速定位错误原因。

      序号 定义 实际数值 描述 参考解决方案
      1 LOS_ERRNO_SEM_NO_MEMORY 0x02000700 内存空间不足 分配更大的内存分区
      2 LOS_ERRNO_SEM_INVALID 0x02000701 非法传参 改变传数为合法值
      3 LOS_ERRNO_SEM_PTR_NULL 0x02000702 传入空指针 传入合法指针
      4 LOS_ERRNO_SEM_ALL_BUSY 0x02000703 信号量控制块不可用 释放资源信号量资源
      5 LOS_ERRNO_SEM_UNAVAILABLE 0x02000704 定时时间非法 传入正确的定时时间
      6 LOS_ERRNO_SEM_PEND_INTERR 0x02000705 中断期间非法调用LOS_SemPend 中断期间禁止调用LOS_SemPend
      7 LOS_ERRNO_SEM_PEND_IN_LOCK 0x02000706 任务被锁，无法获得信号量 在任务被锁时，不能调用LOS_SemPend
      8 LOS_ERRNO_SEM_TIMEOUT 0x02000707 获取信号量时间超时 将时间设置在合理范围内
      9 LOS_ERRNO_SEM_OVERFLOW 0x02000708 信号量允许pend次数超过最大值 传入合法的值
      10 LOS_ERRNO_SEM_PENDED 0x02000709 等待信号量的任务队列不为空 唤醒所有等待该型号量的任务后删除该信号量

      错误码定义： 错误码是一个32位的存储单元，31~24位表示错误等级，23~16位表示错误码标志，15~8位代表错误码所属模块，7~0位表示错误码序号，如下

      1. #define LOS_ERRNO_OS_NORMAL(MID,ERRNO)  \
      2. (LOS_ERRTYPE_NORMAL | LOS_ERRNO_OS_ID | ((UINT32)(MID) << 8) | (ERRNO))
      3. LOS_ERRTYPE_NORMAL ：Define the error level as critical
      4. LOS_ERRNO_OS_ID ：OS error code flag.
      5. MID：OS_MOUDLE_ID
      6. ERRNO：error ID number

      例如： 

      1. LOS_ERRNO_SEM_NO_MEMORY        LOS_ERRNO_OS_ERROR(LOS_MOD_SEM, 0x00))

      平台差异性

      无。

      注意事项

      • 由于中断不能被阻塞，因此在申请信号量时，阻塞模式不能在中断中使用。

      编程实例

      实例描述

      本实例实现如下功能：

      1. 测试任务Example_TaskEntry创建一个信号量，锁任务调度，创建两个任务Example_SemTask1、Example_SemTask2,Example_SemTask2优先级高于Example_SemTask1，两个任务中申请同一信号量，解锁任务调度后两任务阻塞，测试任务Example_TaskEntry释放信号量。

      2. Example_SemTask2得到信号量，被调度，然后任务休眠20Tick，Example_SemTask2延迟，Example_SemTask1被唤醒。

      3. Example_SemTask1定时阻塞模式申请信号量，等待时间为10Tick，因信号量仍被Example_SemTask2持有，Example_SemTask1挂起，10Tick后仍未得到信号量，Example_SemTask1被唤醒，试图以永久阻塞模式申请信号量，Example_SemTask1挂起。

      4. 20Tick后Example_SemTask2唤醒， 释放信号量后，Example_SemTask1得到信号量被调度运行，最后释放信号量。

      5. Example_SemTask1执行完，40Tick后任务Example_TaskEntry被唤醒。

      编程示例

      前提条件：

      在los_config.h中，将LOSCFG_BASE_IPC_SEM配置为YES。

      配置用户定义的LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT最大的信号量数，如1024。

      代码实现如下： 

      1. /测试任务优先级/
      2. #define TASK_PRIO_TEST  5
      4. /任务PID/
      5. static UINT32 g_TestTaskID01,g_TestTaskID02;
      6. /信号量结构体ID/
      7. static UINT32 g_usSemID;
      10. static VOID Example_SemTask1(void)
      11. {
      12.     UINT32 uwRet;
      14.     dprintf(“Example_SemTask1 try get sem g_usSemID ,timeout 10 ticks.\n”);
      15.     /定时阻塞模式申请信号量，定时时间为10Tick/
      16.     uwRet = LOS_SemPend(g_usSemID, 10);
      18.     /申请到信号量/
      19.     if(LOS_OK == uwRet)
      20.     {
      21.         LOS_SemPost(g_usSemID);
      22.         return;
      23.     }
      24.     /定时时间到，未申请到信号量/
      25.     if(LOS_ERRNO_SEM_TIMEOUT == uwRet)
      26.     {
      27.         dprintf(“Example_SemTask1 timeout and try get sem g_usSemID wait forever.\n”);
      28.         /永久阻塞模式申请信号量,获取不到时程序阻塞，不会返回/
      29.         uwRet = LOS_SemPend(g_usSemID, LOS_WAIT_FOREVER);
      30.         if(LOS_OK == uwRet)
      31.         {
      32.             dprintf(“Example_SemTask1 wait_forever and got sem g_usSemID success.\n”);
      33.             LOS_SemPost(g_usSemID);
      34.             uwRet = LOS_InspectStatusSetByID(LOS_INSPECT_SEM,LOS_INSPECT_STU_SUCCESS);
      35.             if (LOS_OK != uwRet)  
      36.             {
      37.                 dprintf(“Set Inspect Status Err\n”);
      38.             }
      39.             return;
      40.         }
      41.     }
      42.     return;
      43. }
      45. static VOID Example_SemTask2(void)
      46. {
      47.     UINT32 uwRet;
      48.     dprintf(“Example_SemTask2 try get sem g_usSemID wait forever.\n”);
      49.     /永久阻塞模式申请信号量/
      50.     uwRet = LOS_SemPend(g_usSemID, LOS_WAIT_FOREVER);
      52.     if(LOS_OK == uwRet)
      53.     {
      54.         dprintf(“Example_SemTask2 get sem g_usSemID and then delay 20ticks .\n”);
      55.     }
      57.     /任务休眠20 Tick/
      58.     LOS_TaskDelay(20);
      60.     dprintf(“Example_SemTask2 post sem g_usSemID .\n”);
      61.     /释放信号量/
      62.     LOS_SemPost(g_usSemID);
      64.     return;
      65. }
      67. UINT32 Example_Semphore(VOID)
      68. {
      69.     UINT32 uwRet = LOS_OK;
      70.     TSK_INIT_PARAM_S stTask1;
      71.     TSK_INIT_PARAM_S stTask2;
      73.    /创建信号量/
      74.     LOS_SemCreate(0,&g_usSemID);
      76.     /锁任务调度/
      77.     LOS_TaskLock();
      79.     /创建任务1/
      80.     memset(&stTask1, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
      81.     stTask1.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_SemTask1;
      82.     stTask1.pcName       = “MutexTsk1”;
      83.     stTask1.uwStackSize  = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_IDLE_STACK_SIZE;
      84.     stTask1.usTaskPrio   = TASK_PRIO_TEST;
      85.     uwRet = LOS_TaskCreate(&g_TestTaskID01, &stTask1);
      86.     if(uwRet != LOS_OK)
      87.     {
      88.         dprintf(“task1 create failed .\n”);
      89.         return LOS_NOK;
      90.     }
      92.     /创建任务2/
      93.     memset(&stTask2, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
      94.     stTask2.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_SemTask2;
      95.     stTask2.pcName       = “MutexTsk2”;
      96.     stTask2.uwStackSize  = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_IDLE_STACK_SIZE;
      97.     stTask2.usTaskPrio   = (TASK_PRIO_TEST - 1);
      98.     uwRet = LOS_TaskCreate(&g_TestTaskID02, &stTask2);
      99.     if(uwRet != LOS_OK)
      100.     {
      101.         dprintf(“task2 create failed .\n”);
      103.         /删除任务1/
      104.         if(LOS_OK != LOS_TaskDelete(g_TestTaskID01))
      105.         {
      106.             dprintf(“task1 delete failed .\n”);
      107.         }
      109.         return LOS_NOK;
      110.     }
      112.     /解锁任务调度/
      113.     LOS_TaskUnlock();
      115.     uwRet = LOS_SemPost(g_usSemID);
      117.     /任务休眠40 Tick/
      118.     LOS_TaskDelay(40);
      120.     /删除信号量/
      121.     LOS_SemDelete(g_usSemID);
      123.     return uwRet;
      124. }

      结果验证

      编译运行得到的结果为：
      4.7.信号量 - 图2