【基于小熊派IoT开发套件的LiteOS内核实战教程】05-互斥锁(共享资源保护)
1. LiteOS的互斥锁
1.1. 互斥锁
在多任务环境下,往往存在多个任务竞争同一共享资源的应用场景,互斥锁可被用于对共享资源的保护从而实现独占式访问。互斥锁(mutex)又称互斥型信号量,是一种特殊的二值信号量,用于实现对共享资源的独占式处理。另外,Huawei LiteOS提供的互斥锁通过优先级继承算法,解决了优先级翻转问题。
1.2. 互斥锁的使用方式
多任务环境下会存在多个任务访问同一公共资源的场景,而有些公共资源是非共享的,需要任务进行独占式处理。
互斥锁怎样来避免这种冲突呢?
在任意时刻,互斥锁的状态只有两种:开锁和闭锁。
当有任务持有时,互斥锁处于闭锁状态,这个任务获得该互斥锁的所有权。当该任务释放它时,该互斥锁被开锁,任务失去该互斥锁的所有权。当一个任务持有互斥锁时,其他任务将不能再对该互斥锁进行开锁或持有。
那么,当一个互斥锁为加锁状态时,此时其他任务如果想访问这个公共资源则会被阻塞,直到互斥锁被持有该锁的任务释放后,其他任务才能重新访问该公共资源,此时互斥锁再次上锁,如此确保同一时刻只有一个任务正在访问这个公共资源,保证了公共资源操作的完整性。
1.3. 互斥锁的使用场景
互斥锁可以提供任务之间的互斥机制,用来防止两个任务在同一时刻访问相同的共享资源。
除此之外,互斥锁还可以被用于防止多任务同步时造成优先级翻转的问题。
2. 互斥锁API
Huawei LiteOS 系统中的互斥锁模块为用户提供创建/删除互斥锁、获取/释放互斥锁的功能。
Huawei LiteOS 系统中提供的互斥锁 API 都是以 LOS 开头,但是这些 API 使用起来比较复杂,所以本文中我们使用 Huawei IoT Link SDK 提供的统一API接口进行实验,这些接口底层已经使用 LiteOS 提供的API实现,对用户而言更为简洁,API列表如下:
osal的api接口声明在中,使用相关的接口需要包含该头文件,关于函数的详细参数请参考该头文件的声明。
相关的接口定义在osal.c中,基于LiteOS的接口实现在 liteos_imp.c文件中:
接口名 | 功能描述 |
---|---|
osal_mutex_create | 创建互斥锁 |
osal_mutex_del | 删除互斥锁 |
osal_mutex_lock | 获取互斥锁(上锁) |
osal_mutex_unlock | 释放互斥锁(解锁) |
2.1. osal_mutex_create
osal_mutex_create
接口用于创建一个互斥锁,其接口原型如下:
bool_t osal_mutex_create(osal_mutex_t *mutex){ bool_t ret = false; if((NULL != s_os_cb) &&(NULL != s_os_cb->ops) &&(NULL != s_os_cb->ops->mutex_create)) { ret = s_os_cb->ops->mutex_create(mutex); } return ret;}
该接口的参数说明如下表:
参数 | 描述 |
---|---|
mutex | 互斥锁索引ID的地址 |
返回值 | false - 创建失败 |
返回值 | true - 创建成功 |
2.2. osal_mutex_del
osal_mutex_del
接口用于删除一个互斥锁,其接口原型如下:
bool_t osal_mutex_del(osal_mutex_t mutex){ bool_t ret = false; if((NULL != s_os_cb) &&(NULL != s_os_cb->ops) &&(NULL != s_os_cb->ops->mutex_del)) { ret = s_os_cb->ops->mutex_del(mutex); } return ret;}
该接口的参数说明如下表:
参数 | 描述 |
---|---|
mutex | 互斥锁索引ID |
返回值 | false - 删除失败 |
返回值 | true - 删除成功 |
2.3. osal_mutex_lock
osal_mutex_lock
接口用于获取一个互斥锁,其接口原型如下:
bool_t osal_mutex_lock(osal_mutex_t mutex){ bool_t ret = false; if((NULL != s_os_cb) &&(NULL != s_os_cb->ops) &&(NULL != s_os_cb->ops->mutex_lock)) { ret = s_os_cb->ops->mutex_lock(mutex); } return ret;}
参数 | 描述 |
---|---|
mutex | 互斥锁索引ID |
返回值 | false - 申请失败 |
返回值 | true - 申请成功 |
2.4. osal_mutex_unlock
osal_mutex_unlock
接口用于释放一个互斥锁,如果有任务阻塞等待该互斥锁,则唤醒最早被阻塞的任务,该任务进入就绪态,并进行调度。
其接口原型如下:
bool_t osal_mutex_unlock(osal_mutex_t mutex){ bool_t ret = false; if((NULL != s_os_cb) &&(NULL != s_os_cb->ops) &&(NULL != s_os_cb->ops->mutex_unlock)) { ret = s_os_cb->ops->mutex_unlock(mutex); } return ret;}
该接口的参数说明如下表:
参数 | 描述 |
---|---|
mutex | 互斥锁索引ID |
返回值 | false - 释放失败 |
返回值 | true - 释放成功 |
3. 动手实验 —— 使用互斥锁进行资源保护
实验内容
本实验中将创建两个任务,一个低优先级任务task1,一个高优先级任务task2,两个任务之间依次对共享资源上锁、操作、解锁,在串口终端中观察两个任务的运行情况。
实验代码
首先打开上一篇使用的 HelloWorld 工程,基于此工程进行实验。
在Demo文件夹右击,新建文件夹osal_kernel_demo
用于存放内核的实验文件(如果已有请忽略这一步)。
接下来在此文件夹中新建一个实验文件 osal_mutex_demo.c
,开始编写代码:
/* 使用osal接口需要包含该头文件 */#include /* 任务优先级宏定义(shell任务的优先级为10) */#define USER_TASK1_PRI 12 //低优先级#define USER_TASK2_PRI 11 //高优先级/* 共享资源 */uint32_t public_value = 0;/* 互斥锁索引ID */osal_mutex_t public_value_mutex;/* 任务task1入口函数 */static int user_task1_entry(){ while(1) { /* 尝试获取互斥锁 */ if(true == osal_mutex_lock(public_value_mutex)) { /* 获取到互斥锁,对共享资源进行操作 */ printf("\r\ntask1: lock a mutex.\r\n"); public_value += 10; printf("task1: public_value = %ld.\r\n", public_value); /* 对共享资源操作完毕,释放互斥锁 */ printf("task1: unlock a mutex.\r\n\r\n"); osal_mutex_unlock(public_value_mutex); /* 满足条件则结束任务 */ if(public_value > 100) break; } } /* while(1)会执行结束,所以需要返回值 */ return 0;}/* 任务task2入口函数 */static int user_task2_entry(){ while (1) { /* 尝试获取互斥锁 */ if(true == osal_mutex_lock(public_value_mutex)) { /* 获取到互斥锁,对共享资源进行操作 */ printf("\r\ntask2: lock a mutex.\r\n"); public_value += 5; printf("task2: public_value = %ld.\r\n", public_value); /* 对共享资源操作完毕,释放互斥锁 */ printf("task2: unlock a mutex.\r\n\r\n"); osal_mutex_unlock(public_value_mutex); /* 满足条件则结束任务 */ if(public_value > 90) break; /* 优先级较高,需要挂起一下,让task1获取到互斥锁,否则task2再次上锁,形成死锁 */ osal_task_sleep(10); } } /* while(1)会执行结束,所以需要返回值 */ return 0;}/* 标准demo启动函数,函数名不要修改,否则会影响下一步实验 */int standard_app_demo_main(){ /* 创建互斥锁public_value_mutex */ osal_mutex_create(&public_value_mutex); /* 创建任务task1 */ osal_task_create("user_task1",user_task1_entry,NULL,0x400,NULL,USER_TASK1_PRI); /* 创建任务task2 */ osal_task_create("user_task2",user_task2_entry,NULL,0x400,NULL,USER_TASK2_PRI); return 0;}
编写完成之后,要将我们编写的 osal_mutex_demo.c文件添加到makefile中,加入整个工程的编译:
这里有个较为简单的方法,直接修改Demo文件夹下的user_demo.mk配置文件,添加如下代码:
#example for osal_mutex_demo ifeq ($(CONFIG_USER_DEMO), "osal_mutex_demo") user_demo_src = ${wildcard $(TOP_DIR)/targets/STM32L431_BearPi/Demos/osal_kernel_demo/osal_mutex_demo.c} endif
添加位置如图:
这段代码的意思是:
如果 CONFIG_USER_DEMO 宏定义的值是osal_mutex_demo
,则将osal_mutex_demo.c
文件加入到makefile中进行编译。
那么,如何配置 CONFIG_USER_DEMO 宏定义呢?在工程根目录下的.sdkconfig
文件中的末尾即可配置:
因为我们修改了mk配置文件,所以点击重新编译按钮进行编译,编译完成后点击下载按钮烧录程序。
实验现象
程序烧录之后,即可看到程序已经开始运行,在串口终端中可看到实验的输出内容:
**Link**main:V1.2.1 AT 11:30:59 ON Nov 28 2019 WELCOME TO IOT_LINK SHELL LiteOS:/> task2: lock a mutex. task2: public_value = 5. task2: unlock a mutex. task1: lock a mutex. task1: public_value = 15. task1: unlock a mutex. task1: lock a mutex. task1: public_value = 25. task1: unlock a mutex. task2: lock a mutex. task2: public_value = 30. task2: unlock a mutex. task1: lock a mutex. task1: public_value = 40. task1: unlock a mutex. task1: lock a mutex. task1: public_value = 50. task1: unlock a mutex. task2: lock a mutex. task2: public_value = 55. task2: unlock a mutex. task1: lock a mutex. task1: public_value = 65. task1: unlock a mutex. task1: lock a mutex. task1: public_value = 75. task1: unlock a mutex. task2: lock a mutex. task2: public_value = 80. task2: unlock a mutex. task1: lock a mutex. task1: public_value = 90. task1: unlock a mutex. task1: lock a mutex. task1: public_value = 100. task1: unlock a mutex. task2: lock a mutex. task2: public_value = 105. task2: unlock a mutex.
可以看到,系统启动后,首先打印版本号,串口shell的优先级为10,最先打印shell信息,接下来task1先创建,但是优先级较低,所以后创建的task2抢占执行,task2获取到互斥锁,对共享资源进行操作,操作完毕解锁,然后主动挂起,task1获取到互斥锁,对共享资源进行另一个操作,操作完毕解锁,在task1操作的时候,task2早已挂起完毕,但是获取不到互斥锁,所以挂起等待,在task1解锁后,堵塞的task2被唤醒开始执行。
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