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前言

本篇文章来给大家讲解RT-Thread中的信号量，那么这篇文章将会告诉大家信号量是什么，以及如何去使用信号量。

一、信号量的概念

在 RT-Thread 中，信号量是一种常用的线程同步和互斥机制，用于控制对共享资源的访问。RT-Thread 提供了丰富的信号量操作函数，可以方便地在多线程环境下实现同步和互斥。

二、信号量和队列的对比

在RT-Thread中，信号量和队列都是用于线程间通信和同步的机制，但它们在功能和应用上有一些不同。

1. 信号量（Semaphore）：

   • 信号量是一种计数器，用于控制多个线程对共享资源的访问。它通常用于限制同时访问某一资源的线程数量。
   • RT-Thread中的信号量可以是二进制信号量（Binary Semaphore）或计数信号量（Counting Semaphore）。二进制信号量的计数器只有0和1两个状态，通常用于实现互斥访问，而计数信号量的计数器可以是任意正整数，用于实现资源的共享和访问控制。
   • 使用信号量时，线程可以通过P操作（等待信号量）和V操作（释放信号量）来对信号量进行操作，从而实现对共享资源的访问控制。

2. 队列（Queue）：

   • 队列是一种数据结构，采用先进先出（FIFO）的方式存储和获取数据。在RT-Thread中，队列通常用于在不同线程之间传递数据，实现线程间的数据交换和通信。
   • RT-Thread提供了多种类型的队列，包括消息队列、邮箱队列等。消息队列用于传递固定大小的数据块，而邮箱队列则用于传递指针或动态分配的数据块。
   • 队列的操作包括入队和出队操作，线程可以将数据放入队列中或从队列中获取数据，实现数据的传递和共享。

对比：

• 相同点：信号量和队列都可以用于线程间的同步和通信，实现资源的共享和访问控制。

- 不同点：

• 功能：信号量主要用于控制对共享资源的访问，而队列主要用于在线程间传递数据。
• 数据类型：信号量是一个计数器，不存储实际的数据；而队列是存储数据的数据结构，可以传递各种类型的数据。
• 应用场景：信号量适用于控制对资源的并发访问，例如实现互斥访问或限制同时访问资源的线程数量；而队列适用于在不同线程之间传递数据，例如实现生产者-消费者模式或异步事件处理。

综上所述，信号量和队列在RT-Thread中都是重要的线程同步和通信机制，选择使用哪种取决于具体的应用场景和需求。

三、信号量的函数使用

在RT-Thread中，struct rt_semaphore结构体用于管理信号量。

struct rt_semaphore
{
 struct rt_ipc_object parent; /**< inherit from ipc_object */
 rt_uint16_t value; /**< value of semaphore. */
 rt_uint16_t reserved; /**< reserved field */
}

下面是对struct rt_semaphore结构体成员的解释：

parent：继承自struct rt_ipc_object，用于存储信号量的IPC对象属性，如名称、类型等。

value：信号量的计数器，表示当前可用资源的数量。

reserved：保留字段，目前没有特定的用途。

3.1创建信号量函数

这两个函数都用于创建和初始化信号量，但它们在功能上有一些区别。

1. rt_sem_create函数：

   rt_sem_t rt_sem_create(const char *name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag);
   

   • 参数：

     • name：信号量的名称，用于标识和调试。
     • value：信号量的初始值，表示可用资源的数量。
     • flag：标志位，指定信号量的行为，例如是否为自动清零等。

   • 返回值：

     • rt_sem_t：信号量的句柄，用于后续对信号量进行操作。

   • 功能：

     • rt_sem_create函数用于创建一个新的信号量，并初始化其属性和计数器的初始值。
     • 返回一个信号量的句柄，该句柄可以用于后续对该信号量进行操作，如获取、释放等。

2. rt_sem_init函数：

   rt_err_t rt_sem_init(rt_sem_t sem, const char *name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag);
   

   • 参数：

     • sem：要初始化的信号量的句柄。
     • name：信号量的名称，用于标识和调试。
     • value：信号量的初始值，表示可用资源的数量。
     • flag：标志位，指定信号量的行为，例如是否为自动清零等。

   • 返回值：

     • rt_err_t：初始化是否成功的错误码，若成功则返回 RT_EOK，否则返回相应的错误码。

   • 功能：

     • rt_sem_init函数用于初始化已经存在的信号量。
     • 它不会创建新的信号量，而是对已经存在的信号量进行初始化。
     • 需要传入信号量的句柄作为参数。

这两个函数的作用都是对信号量进行初始化，但rt_sem_create函数用于创建并初始化新的信号量，而rt_sem_init函数用于初始化已经存在的信号量。

3.2删除信号量函数

这两个函数都与信号量的销毁和释放相关，但在功能上有一些区别。

1. rt_err_t rt_sem_delete(rt_sem_t sem)：

   rt_err_t rt_sem_delete(rt_sem_t sem);
   

   • 参数：

     • sem：要删除的信号量的句柄。

   • 返回值：

     • rt_err_t：表示函数执行状态的错误码，若成功则返回 RT_EOK，否则返回相应的错误码。

   • 功能：

     • rt_sem_delete函数用于删除并释放一个信号量，释放其所占用的资源。
     • 删除信号量后，所有等待该信号量的线程都将被唤醒，并且可能会返回一个错误码，表示信号量已被删除。
     • 通常在不再需要使用某个信号量时，可以调用该函数来释放资源，以防止资源泄漏。

2. rt_err_t rt_sem_detach(rt_sem_t sem)：

   rt_err_t rt_sem_detach(rt_sem_t sem);
   

   • 参数：

     • sem：要分离的信号量的句柄。

   • 返回值：

     • rt_err_t：表示函数执行状态的错误码，若成功则返回 RT_EOK，否则返回相应的错误码。

   • 功能：

     • rt_sem_detach函数用于分离一个信号量，但不会立即释放其占用的资源。
     • 分离信号量后，它将不再可用，但资源不会立即释放，而是延迟到信号量计数器归零时释放。
     • 分离信号量后，线程无法再次等待该信号量，也无法对其进行获取或释放操作。
     • 通常在需要暂时停用某个信号量，但又不希望立即释放其资源时，可以调用该函数来分离信号量。

rt_sem_delete函数用于立即释放信号量及其资源，而rt_sem_detach函数用于暂时停用信号量，但延迟释放其资源。

3.3获取信号量函数

这两个函数都是用于获取（获取）信号量的操作，但在行为上有所不同。

1. rt_err_t rt_sem_take(rt_sem_t sem, rt_int32_t time)：

   rt_err_t rt_sem_take(rt_sem_t sem, rt_int32_t time);
   

   • 参数：

     • sem：要获取的信号量的句柄。
     • time：等待信号量的超时时间，单位为毫秒。如果设置为 RT_WAITING_FOREVER，则表示无限等待；如果设置为 RT_WAITING_NO，则表示不等待，立即返回。

   • 返回值：

     • rt_err_t：表示函数执行状态的错误码，若成功获取信号量则返回 RT_EOK，否则返回相应的错误码。

   • 功能：

     • rt_sem_take函数用于获取（等待）一个信号量。
     • 如果信号量的计数器大于0，则将计数器减1，并立即返回成功。
     • 如果信号量的计数器等于0，则当前线程将被阻塞，直到计数器大于0或超时。
     • time参数指定了等待信号量的最大超时时间，可以设置为无限等待或者一段固定的时间。

2. rt_err_t rt_sem_trytake(rt_sem_t sem)：

   rt_err_t rt_sem_trytake(rt_sem_t sem);
   

   • 参数：

     • sem：要尝试获取的信号量的句柄。

   • 返回值：

     • rt_err_t：表示函数执行状态的错误码，若成功获取信号量则返回 RT_EOK，否则返回相应的错误码。

   • 功能：

     • rt_sem_trytake函数用于尝试获取（非阻塞）一个信号量。
     • 如果信号量的计数器大于0，则将计数器减1，并立即返回成功。
     • 如果信号量的计数器等于0，则立即返回失败，不会阻塞当前线程。

这两个函数的选择取决于应用场景和需求。如果需要线程等待直到信号量可用或超时，可以使用rt_sem_take函数；如果希望线程尝试获取信号量但不愿意等待，可以使用rt_sem_trytake函数。

3.4释放信号量函数

rt_err_t rt_sem_release(rt_sem_t sem)

函数用于释放（释放）一个信号量。

• 参数：

  • sem：要释放的信号量的句柄。

• 返回值：

  • rt_err_t：表示函数执行状态的错误码，若成功释放信号量则返回 RT_EOK，否则返回相应的错误码。

• 功能：

  • rt_sem_release函数用于释放一个信号量。
  • 当信号量的计数器小于 RT_SEM_MAX_VALUE 时，将计数器加1。
  • 如果有线程正在等待该信号量，则唤醒其中一个等待线程，并使其获取到信号量。
  • 释放信号量后，其他等待该信号量的线程可以通过获取信号量继续执行。

这个函数通常与rt_sem_take配对使用，用于释放通过rt_sem_take获取的信号量。释放信号量后，其他等待该信号量的线程将有机会获取到信号量并继续执行。

四.信号量的基本使用

#include <rtthread.h>

#define THREAD_STACK_SIZE   512
#define THREAD_PRIORITY     20

// 定义一个全局信号量
static rt_sem_t sem;

// 共享资源
static int shared_resource = 0;

// 线程1的入口函数
static void thread1_entry(void *parameter)
{
    while (1)
    {
        // 等待获取信号量
        rt_sem_take(sem, RT_WAITING_FOREVER);

        // 访问共享资源
        shared_resource++;
        rt_kprintf("Thread 1: Shared resource value: %d\n", shared_resource);

        // 释放信号量
        rt_sem_release(sem);

        // 延时一段时间
        rt_thread_mdelay(1000);
    }
}

// 线程2的入口函数
static void thread2_entry(void *parameter)
{
    while (1)
    {
        // 等待获取信号量
        rt_sem_take(sem, RT_WAITING_FOREVER);

        // 访问共享资源
        shared_resource--;
        rt_kprintf("Thread 2: Shared resource value: %d\n", shared_resource);

        // 释放信号量
        rt_sem_release(sem);

        // 延时一段时间
        rt_thread_mdelay(1500);
    }
}

int main(void)
{
    // 创建信号量，初始值为1
    sem = rt_sem_create("my_semaphore", 1, RT_IPC_FLAG_FIFO);

    // 创建线程1
    rt_thread_t thread1 = rt_thread_create("thread1", thread1_entry, RT_NULL, THREAD_STACK_SIZE, THREAD_PRIORITY, 10, 0);
    if (thread1 != RT_NULL)
        rt_thread_startup(thread1);

    // 创建线程2
    rt_thread_t thread2 = rt_thread_create("thread2", thread2_entry, RT_NULL, THREAD_STACK_SIZE, THREAD_PRIORITY, 10, 0);
    if (thread2 != RT_NULL)
        rt_thread_startup(thread2);

    // 启动 RT-Thread
    rt_thread_startup(rt_thread_self());

    return 0;
}

总结

本篇文章主要讲解了信号量的概念以及使用方法，大家可以学习完成后练习一下信号量的基本使用。