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【2024-RSOC】Day03 线程同步与线程间通信

发布于 2024-07-24 22:37:47 浏览：253 订阅该版

[tocm]

# 线程-IPC机制
## 重要概念
### 临界资源和临界区
1. 临界资源：多个线程或进程共同访问的资源，但是每次只能有一个线程或进程使用，以避免冲突。这些资源可能是物理设备（如打印机、磁盘等），也可能是软件中的某些数据（如共享变量、文件等）。
2. 临界区：一个访问共享资源的代码区域，这些共享资源一次只能由一个线程访问，否则可能会导致数据不一致或冲突。
### 阻塞Block与非阻塞
当一个线程占用了临界资源，那么其他线程就必须等待临界资源被释放。这种由于临界资源被占用而处于等待的状态叫做线程阻塞。
### 挂起/暂停Suspend
线程挂起是指把线程脱离就绪队列，使线程不参与调度器的调度。即线程被暂停执行，但不会立即释放其所占用的资源（如锁、信号量等），直到它被显式地恢复（Resume）为止。
线程挂起是用户主动控制的，可以通过特定的接口函数（如rt_thread_suspend()）来实现。挂起时，线程不会释放对象锁或其他资源。
挂起状态与线程阻塞不同，挂起是用户显式控制的，而阻塞则是由某些事件或条件触发的。线程状态切换示意图如下。

![10线程状态的切换.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/b500dd0fa4758f2eb1f127da2d1e600a.png.webp)
### 死锁问题
线程因为资源竞争，彼此需要资源又都无法释放，导致线程无法获取下一步执行所需的资源，从而产生死锁。
## 线程同步的三种方法
信号量、互斥量和事件集
### 信号量semaphore

在裸机程序中使用全局变量flag来同步的问题：
内存写穿时，flag的值被篡改；没有阻塞-挂起机制，在等待flag的过程中，CPU一直在空等，降低效率。

#### 信号量的类型
1. 二值信号量
用于解决同步问题：用于线程与线程，线程与中断服务程序ISR的同步
初始值：0或1
二值信号量的状态转换图

![11二值信号量的状态装换图.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/7574e7076f899933691a60106040e4a1.png.webp)
2. 计数信号量
用于解决计数问题：初始化为n-非负数，n为共享资源的数量
计数信号量状态转换图

![12计数信号量的状态转换图.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/f2f41a745ddda308eae832c2125818ea.png.webp)
#### 信号量的API
1. 创建/初始化
动态创建，好处：节省资源；弊处：可能会有内存写穿
```c
rt_sem_t rt_sem_create(const char *name,  //信号量的名称
				rt_uint32_t value, //信号量的初始值
				rt_uint8_t flag)
```
信号量的标志参数-决定多个线程的排队方式：
先进先出 RT_IPC_FLAG_FIFO
优先级等待 RT_IPC_FLAG_PRIO
其中rt_sem_t（信号量的控制块指针）的原型如下：
```c
struct rt_semaphore
{
    struct rt_ipc_object parent;   /**< inherit from ipc_object */

rt_uint16_t          value;    /**< value of semaphore. */
    rt_uint16_t          max_value;
    struct rt_spinlock   spinlock;
};
typedef struct rt_semaphore *rt_sem_t;
```
静态创建
好处：稳健性好，不会被破坏；不使用该信号量，它也会占用资源
```c
rt_err_t rt_sem_init(rt_sem_t sem, //信号量控制块的指针/信号量对象的句柄
					const char *name,  //信号量名称
					rt_uint32_t value, //型号量初始值
					rt_uint8_t flag)
```
2. 删除/脱离
删除信号量-用于动态创建的信号量
```c
rt_err_t rt_sem_delete(rt_sem_t sem)
```
脱离detatch
```c
rt_err_t rt_sem_detatch(rt_sem_t sem)
```
3. 获取/释放
等待时间，单位OS_Tick，分为三种情况：直接返回RT_WAITING_NO，挂起并等待一段时间，挂起并永远等待直到获取到信号量
```c
rt_err_t rt_sem_take(rt_sem_t sem, rt_int32_t time)
```
4. 释放信号量
每释放一个信号量，就唤醒挂起在该信号量上的一个线程（先进先出，按优先级）
```c
rt_err_t rt_sem_release(rt_sem_t sem)
```

### 互斥量mutex
特殊的二值信号量，它支持：互斥量的所有权（哪个线程先获取到互斥量，其他线程就不能获取），递归访问，防止优先级反转的特性
#### 优先级反转问题Priority Inversion

![13优先级反转问题.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/a7ef293a66cf2dc0dd4bd1274b93f5bc.png.webp)
优先级A(M) > B > C(M)，A和B处于就绪态，等待某事件发生， C占用共享资源M，B不需要共享资源M。B先于A执行
#### 解决方法：优先级继承

![14优先级继承.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/8645afa9a286b92530cfebb52afe2bf3.png.webp)
互斥量可以解决优先级反转的问题
提高某个占用共享资源M的低优先级线程C的优先级，使得它的优先级等于所有该资源M的线程中最高级的线程的优先级；然后执行C，等C释放共享资源后，C的优先级回到初始态。
#### 互斥量的API函数
互斥量的flag: RT_IPC_FLAG_PRIO，不需要赋初值
1. 动态创建create与删除delete

2. 初始化互斥量init与脱离detatch

3. 获取take/释放release
某一时刻一个互斥量只能被一个线程持有
无等待获取互斥量trytake(rt_mutex_t mutex)
4. 释放release
当线程thread_1完成互斥资源的访问后，应该尽快释放它占用的互斥量M1
例如：take了5次，只释放了4次，那么thread_1仍然占有M1，其他线程无法访问。上锁和解锁只能由thread_1来操作。当M1的持有计数值为0时，等待M1的线程才会从挂起中唤醒

### 事件集
事件集是一个32bit的数，每个bit表示一个事件的状态
0-事件发生，1-事件未发生
触发方式：或触发，与触发

![15事件集的示意图.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/5ed7ec678f47dbe53406736a66aa0161.png.webp)
事件集的作用如下图所示

![16事件集的作用.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/aa2013bf7ae1a4e8675fa5c1a2f95b64.png.webp)
#### 事件集API
1. 动态创建create与删除delete
rt_event_t rt_event_create()

```c
rt_err_t rt_event_delete(rt_event_t event)
```
2. 初始化互斥量init与脱离detatch

3. 获取take/释放release

4. 发送事件send-接收recv
无符号32位整数rt_uint32_t set = 0x01
send
recv
参数option-设置触发方式：或，与触发

## 线程间通信的两种方法
消息邮箱和消息队列
### 消息邮箱mailbox
优点：开销低，效率高。
每封邮件只能容纳4Byte内容（32位CPU，指针的大小为4Byte）

#### 消息邮箱的API
1. 创建create与删除delete

```c
rt_mailbox_t rt_mb_create(const char *name, rt_size_t size, rt_uint8_t flag)
```

2. 初始化邮箱与脱离detatch
静态邮箱对象的内存是在系统编译时由编译器分配的

3. 发送邮件send与接收recv
普通发送：rt_mb_send
等待方式发送邮件（会造成阻塞的API，_wait）不能用到中断函数中
发生紧急邮件: rt_mb_urgent，邮件被直接插入到队首

### 消息队列msgq
进程间通信，使用串口接收不定长的数据等，消息队列提供异步处理机制-数据缓冲，直接传递数据本身，而消息邮箱传递的是数据的指针。
##### 消息队列的特性
支持读消息超时机制
支持等待方式发送消息
允许收发不同长度（一条消息的最大长度：不超过队列节点最大值）、多条消息，任意类型的消息
支持发送紧急消息

#### 消息队列的API
1. 创建create
rt_mq_t rt_mq_create(名称， 消息长度，个数，等待方式)

```c
rt_mq_t rt_mq_create(const char *name,
					 rt_size_t msg_size, //一条消息的最大长度，单位：Byte
					 rt_size_t max_msgs, //消息队列的最大个数
					 rt_uint8_t flag);   //消息队列的等待方式
```

2. 发送消息send

```c
rt_err_t rt_mq_send(rt_mq_t mq, //消息队列对象的句柄
				   const void *buffer, //消息内容
				   rt_size_t size);    //消息大小
```

3. 接收消息rt_mq_recv
## 实操
### ENV配置

![02.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/c15667081864b8e8b1743ada5b84237c.png)
online packages->msc杂项->samples: kernel and components samples->
勾选kernel thread
ESC 退出配置界面，保存设置
pkgs --update  //将online packages下载到本地

![05.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/8c5f1e6103a15c56827db0b05bd9df73.png)
下载到了本地的packages文件夹中

![06.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/a904391b622e0b45229097440e1cdf7d.png)
再次编译 scons -j12
烧录运行

![04.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/f4f95f7690cfc2945c9cf194e86a5b4b.png)