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[2024-RSOC] IPC机制学习分享

发布于 2024-07-24 21:31:03 浏览：263 订阅该版

[tocm]

# RT-Thread 暑期夏令营第三天：IPC机制学习心得

今天的培训主题是操作系统中的进程间通信（IPC）机制，特别是在RT-Thread中的实现和应用。通过对信号量、互斥量、事件集、邮箱和消息队列的原理和使用示例进行深入分析，进一步理解了线程同步和线程间通信的概念。以下是我今天学习的心得。

## 1. 信号量 (Semaphore) 原理和示例分析

信号量是一种用于管理资源访问的同步机制。它通过一个计数器来记录资源的使用状态，当资源可用时，计数器增加；当资源被占用时，计数器减少。

- **原理**：信号量的计数器初始值通常设定为资源的数量。当线程申请资源时，如果计数器大于零，则申请成功，并将计数器减一；如果计数器等于零，则线程会进入等待状态，直到有其他线程释放资源。
- **示例**：[rtthread文档中心](https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/ipc1/ipc1)

## 2. 互斥量 (Mutex) 原理和示例分析

互斥量是一种用于保护临界区资源的锁机制，它确保同一时刻只有一个线程能够访问资源。

- **原理**：互斥量初始状态是未锁定。当一个线程获取互斥量时，如果互斥量未被锁定，则锁定并进入临界区；如果互斥量已被锁定，则线程进入等待状态。持有互斥量的线程可以多次获取，但必须对应相同次数的释放操作。
- **示例**：[rtthread文档中心](https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/ipc1/ipc1)

## 3. 事件集 (Event) 原理和示例分析

事件集是一种线程间通信机制，用于在特定条件下通知一个或多个线程。线程可以等待一个或多个事件的触发。

- **原理**：事件集由一组事件标志组成，线程可以等待这些标志的变化。事件可以是单个标志，也可以是多个标志的组合。
- **示例**：[rtthread文档中心](https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/ipc1/ipc1)

## 4. 邮箱 (Mailbox) 原理和示例分析

邮箱是一种用于线程间发送固定大小消息的机制。它提供了一种简单的方式在线程间传递消息。

- **原理**：邮箱在创建时指定消息的大小和邮箱的容量。发送消息时，如果邮箱未满，则将消息存入邮箱；接收消息时，如果邮箱不为空，则取出消息。
- **示例**：[rtthread文档中心](https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/ipc1/ipc1)

## 5. 消息队列 (MsgQueue) 原理和示例分析

消息队列是一种线程间传递变量大小消息的机制。它支持多线程之间发送和接收消息，提供了更灵活的通信方式。

- **原理**：消息队列在创建时指定消息的大小和队列的容量。发送消息时，如果队列未满，则将消息插入队列尾部；接收消息时，如果队列不为空，则取出队列头部的消息。
- **示例**：[rtthread文档中心](https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/ipc1/ipc1)

## 6. 消息邮箱 (mailbox) 与消息队列 (msgqueue) 对比

- **消息邮箱**：每个消息的大小是固定的，适用于小数据量的传递。内存占用较少，性能较好。
- **消息队列**：消息大小可以变化，更灵活，适用于大数据量和变长数据的传递。内存占用较多，管理复杂。

## 7. 各种 IPC 机制比较

- **使用信号量**：进行简单的资源管理和线程同步。
- **使用互斥量**：保护临界区，防止数据竞争。
- **使用事件集**：实现复杂的同步需求，特别是需要等待多个事件时。
- **使用邮箱和消息队列**：在线程间传递消息和数据。

## 8. 作业

使用至少两种 IPC 编写试验代码：

下面代码使用三种 IPC 机制：使用 **信号量** 控制按键状态；使用 **互斥量** 保护 LED 灯的操作；使用 **消息队列** 传递按键消息。

### 8.1. 全局变量和结构体

```c
static rt_thread_t tid1 = RT_NULL;
static rt_thread_t tid2 = RT_NULL;
static rt_thread_t tid3 = RT_NULL;

static rt_sem_t dynamic_sem = RT_NULL;
static rt_mutex_t led_mutex = RT_NULL;
static rt_mq_t key_mq = RT_NULL;

typedef struct
{
    int key_val;
} key_msg_t;
```

**说明**:

- `tid1`、`tid2`、`tid3` 分别用于存储三个线程的句柄。
- `dynamic_sem`、`led_mutex` 和 `key_mq` 分别用于存储信号量、互斥量和消息队列的句柄。
- `key_msg_t` 结构体用于消息队列中传递按键值。

### 8.2. 主函数

```c
int key_led(void)
{
    // 初始化 LED 引脚
    rt_pin_mode(GPIO_LED_R, PIN_MODE_OUTPUT);
    // 初始化按键引脚
    rt_pin_mode(PIN_KEY0, PIN_MODE_INPUT_PULLUP);

// 创建信号量
    dynamic_sem = rt_sem_create("dsem", 0, RT_IPC_FLAG_PRIO);
    if (dynamic_sem == RT_NULL)
    {
        rt_kprintf("create dynamic semaphore failed.\n");
        return -1;
    }
    rt_kprintf("create done. dynamic semaphore value = 0.\n");

// 创建互斥量
    led_mutex = rt_mutex_create("ledmtx", RT_IPC_FLAG_PRIO);
    if (led_mutex == RT_NULL)
    {
        rt_kprintf("create led mutex failed.\n");
        return -1;
    }

// 创建消息队列
    key_mq = rt_mq_create("keymq", sizeof(key_msg_t), 10, RT_IPC_FLAG_PRIO);
    if (key_mq == RT_NULL)
    {
        rt_kprintf("create key message queue failed.\n");
        return -1;
    }

// 创建线程
    tid1 = rt_thread_create("key_thread",
                            key_thread_entry, RT_NULL,
                            THREAD_STACK_SIZE,
                            THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
    if (tid1 != RT_NULL)
        rt_thread_startup(tid1);

tid2 = rt_thread_create("led_thread",
                            led_thread_entry, RT_NULL,
                            THREAD_STACK_SIZE,
                            THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
    if (tid2 != RT_NULL)
        rt_thread_startup(tid2);

tid3 = rt_thread_create("key_msg_thread",
                            key_msg_thread_entry, RT_NULL,
                            THREAD_STACK_SIZE,
                            THREAD_PRIORITY-2, THREAD_TIMESLICE);
    if (tid3 != RT_NULL)
        rt_thread_startup(tid3);

return 0;
}
```

**说明**:

- 主函数负责初始化硬件引脚、创建信号量、互斥量和消息队列，并创建并启动三个线程。

### 8.3. `key_thread_entry` 函数

```c
static void key_thread_entry(void *parameter)
{
    while (1)
    {
        if (rt_pin_read(PIN_KEY0) == PIN_LOW)
        {
            rt_thread_mdelay(100);
            if (rt_pin_read(PIN_KEY0) == PIN_LOW)
            {
                rt_kprintf("KEY0 pressed!\r\n");
                rt_sem_release(dynamic_sem);
                
                key_msg_t msg;
                msg.key_val = 1;
                rt_mq_send(key_mq, &msg, sizeof(msg));
            }
        }
        rt_thread_mdelay(10);
    }
}
```

**说明**:

- `key_thread_entry` 线程函数检测按键状态。如果按键被按下（即 `PIN_KEY0` 读取为 `PIN_LOW`），则释放信号量，并将按键消息发送到消息队列中。

### 8.4. `led_thread_entry` 函数

```c
static void led_thread_entry(void *parameter)
{
    rt_uint32_t result;
    while (1)
    {
        result = rt_sem_take(dynamic_sem, RT_WAITING_FOREVER);
        if (result == RT_EOK)
        {
            rt_mutex_take(led_mutex, RT_WAITING_FOREVER);
            rt_pin_write(GPIO_LED_R, PIN_LOW);
            rt_kprintf("LED_R ON

.\r\n");
            rt_thread_mdelay(500);
            rt_pin_write(GPIO_LED_R, PIN_HIGH);
            rt_kprintf("LED_R OFF.\r\n");
            rt_mutex_release(led_mutex);
        }
    }
}
```

**说明**:

- `led_thread_entry` 线程函数等待信号量的释放，获取互斥量来保护LED的操作，控制LED的开关状态。

### 8.5. `key_msg_thread_entry` 函数

```c
static void key_msg_thread_entry(void *parameter)
{
    key_msg_t msg;
    while (1)
    {
        if (rt_mq_recv(key_mq, &msg, sizeof(msg), RT_WAITING_FOREVER) == RT_EOK)
        {
            rt_kprintf("Key message received: %d\r\n", msg.key_val);
        }
    }
}
```

**说明**:

- `key_msg_thread_entry` 线程函数从消息队列中接收消息，并打印接收到的消息值。

### 8.6. 实验结果

1.消息队列传按键按压数据

![实验结果3.1](https://gitee.com/lishuangrui/test1/raw/master/figures/%E5%AE%9E%E9%AA%8C%E7%BB%93%E6%9E%9C3.1.png)

2.信号量和互斥保证点灯不受影响

![实验结果红灯亮3.2](https://gitee.com/lishuangrui/test1/raw/master/figures/%E5%AE%9E%E9%AA%8C%E7%BB%93%E6%9E%9C%E7%BA%A2%E7%81%AF%E4%BA%AE3.2.png)

![实验结果红灯亮灭3.3](https://gitee.com/lishuangrui/test1/raw/master/figures/%E5%AE%9E%E9%AA%8C%E7%BB%93%E6%9E%9C%E7%BA%A2%E7%81%AF%E4%BA%AE%E7%81%AD3.3.png)

## 总结

通过这次学习，我对RT-Thread中各种IPC机制的应用有了更深入的理解。每种IPC机制都有其独特的用途和特点，合理使用这些机制可以有效地解决线程间的同步和通信问题。在实际开发中，根据不同的需求选择合适的IPC机制，将能提升系统的性能和可靠性。

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