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【2024-RSOC】IPC学习分享和调试心得

发布于 2024-07-24 19:57:11 浏览：231 订阅该版

[tocm]

# IPC机制

## 关键词

线程同步，线程间通信，信号量，互斥量，事件集，邮箱，消息队列

## 临界区

同一时间只能被一个线程使用，但被占用时，其他的线程只能等待

##　阻塞和非阻塞

**阻塞**

当等待一个事件完成时，我不干别的事情，在等这件事完成，称为阻塞。

**非阻塞**

当等待这个事情完成时，我先去干别的事情，等这件事情完成时会给我发送一个通知，这时我在回来处理这件事情，称为非阻塞。

## 挂起

将一件事情暂时放下(会将当时的情况保存下来，上下文，栈等)，先去干别的事情，等别的事情干完，还可以回来干这件事情

## 死锁

例如两个线程AB,A在等待B的信号量，B也在等待A的信号量，这就会导致两个人的信号量都得不到释放，就会导致死锁的发生。

## 信号量

### 二值信号量

一般用于同步作用

### 计数信号量

![screenshot_image-20240724094707054.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/96fd836892f34a46f492fa50e7fd9a53.png.webp)
## 互斥量

防止优先级反转

当低优先级获取了高优先级线程的信号量时，低优先级线程的优先级会暂时提高到和高优线线程同样的优先级，防止被其他中优先级的线程给打断

![screenshot_image-20240724102648663.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/7d72daadccd4c9cde3215ae9d3f0e1f7.png.webp)

![screenshot_image-20240724103424652.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/a7615de083e1bf275f62f463251097c3.png.webp)

互斥量可以多次获取，但是获取了几次，就得释放几次，释放和获取都必须由同一个线程来进行

## 事件集

有一个32bit的数，每一位都代表一个事情，可以查看32个事情的状态是否到来

![screenshot_image-20240724104454431.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/d1649c3146542a45a3780e707222e252.png.webp)

![screenshot_image-20240724105455760.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240724/08daaa965a9e4bec24cbf983ecbd3a44.png.webp)
事件集（Event Flags）是实时操作系统中用于线程间通信的一种机制，它提供了一种轻量级的方法来同步多个线程的执行流程。事件集可以看作是一组标志位的集合，线程可以通过设置或清除这些标志位来传达某种状态或条件。
事件集（Event Flags）是 RT-Thread 提供的一种用于线程间同步和通信的工具。它允许线程设置和等待一组特定的标志位，从而协调不同线程之间的活动。事件集适用于需要快速响应和低开销的场景，比如状态通知、条件等待等。
## 邮箱

每一个邮箱的大小为四字节，在32位系统中，可以发送指针或者数值

邮箱的底层是数组，相比消息队列的链表来说，更小更轻便

### 函数

动态创建和删除

```c
/**
 * @brief       创建并初始化一个消息邮箱
 *
 * @attention   用户必须在使用前确保有足够的内存用于消息邮箱的创建。
 *
 * @param[in]   name      消息邮箱的名称，用于标识和调试。
 * @param[in]   size      消息邮箱的最大容量，即最多可以存储的消息数量。
 * @param[in]   flag      创建时的标志位，可以用来指定邮箱的某些特性（如消息排序方式）。
 *
 * @return       如果创建成功，返回一个指向新创建的消息邮箱的句柄；
 *               否则，返回 RT_NULL 或者一个错误码，具体取决于 RT-Thread 的配置。
 *
 * @ingroup     RTTHREAD_MBOX
 */
rt_mailbox_t rt_mb_create(const char* name, rt_size_t size, rt_uint8_t flag);
rt_err_t rt_mb_delete (rt_mailbox_t mb);
```

初始化邮箱和脱离

```c
  rt_err_t rt_mb_init(rt_mailbox_t mb,
                    const char* name,
                    void* msgpool,
                    rt_size_t size,
                    rt_uint8_t flag)
```

| **参数** | **描述**                                                     |
| -------- | ------------------------------------------------------------ |
| mb       | 邮箱对象的句柄                                               |
| name     | 邮箱名称                                                     |
| msgpool  | 缓冲区指针                                                   |
| size     | 邮箱容量                                                     |
| flag     | 邮箱标志，它可以取如下数值： RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO |
| **返回** | ——                                                           |
| RT_EOK   | 成功                                                         |

```c
rt_err_t rt_mb_detach(rt_mailbox_t mb);
```

| **参数** | **描述**       |
| -------- | -------------- |
| mb       | 邮箱对象的句柄 |
| **返回** | ——             |
| RT_EOK   | 成功           |

发送邮件

```c
rt_err_t rt_mb_send (rt_mailbox_t mb, rt_uint32_t value);
```

| **参数**  | **描述**       |
| --------- | -------------- |
| mb        | 邮箱对象的句柄 |
| value     | 邮件内容       |
| **返回**  | ——             |
| RT_EOK    | 发送成功       |
| -RT_EFULL | 邮箱已经满了   |

发送紧急邮件（发送的邮箱会排在队首）

```c
rt_err_t rt_mb_urgent (rt_mailbox_t mb, rt_ubase_t value);
```

```c
rt_err_t rt_mb_recv (rt_mailbox_t mb, rt_uint32_t* value, rt_int32_t timeout);复制错误复制成功
```

接收邮件

接收者需指定接收邮件的邮箱句柄，并指定接收到的邮件存放位置以及最多能够等待的超时时间。如果接收时设定了超时，当指定的时间内依然未收到邮件时，将返回 - RT_ETIMEOUT。下表描述了该函数的输入参数与返回值：

| **参数**     | **描述**       |
| ------------ | -------------- |
| mb           | 邮箱对象的句柄 |
| value        | 邮件内容       |
| timeout      | 超时时间       |
| **返回**     | ——             |
| RT_EOK       | 接收成功       |
| -RT_ETIMEOUT | 超时           |
| -RT_ERROR    | 失败，返回错误 |

## 消息队列

消息

消息是在线程间传递的数据单元。它可以是任意类型的数据，但通常会被封装成一个结构体，包含消息类型和数据字段。

### 队列

消息队列是一个先进先出（FIFO）的数据结构，用于存储消息。队列具有固定的大小，由创建时设定，一旦队列满载，新的消息将不能被加入，直到有消息被读取。

### 创建消息队列

在 RT-Thread 中，消息队列可以通过 `rt_mq_create` 或 `rt_mq_init` 函数来创建或初始化。

### rt_mq_create

```
rt_mq_t rt_mq_create(const char* name, rt_size_t msg_size,
            rt_size_t max_msgs, rt_uint8_t flag);
```

- `name`: 消息队列的名称，用于调试和系统管理。
- `length`: 队列的最大消息数量。
- `msgsize`: 每条消息的大小。
- `flag`: 创建时的标志位，用于控制队列行为。

### rt_mq_init

```
rt_err_t rt_mq_init(rt_mq_t mq, const char* name,
                        void *msgpool, rt_size_t msg_size,
                        rt_size_t pool_size, rt_uint8_t flag);
```

- `mq`: 指向消息队列的指针。
- `name`: 消息队列的名称。
- `msgpool`: 消息缓冲区的起始地址。
- `pool_size`: 队列的最大消息数量。
- `msg_size`: 每条消息的大小。
- `flag`: 创建时的标志位。

###　使用消息队列

### 发送消息

使用 `rt_mq_send` 或 `rt_mq_send_wait` 函数发送消息到队列。

#### rt_mq_send

```
rt_err_t rt_mq_send (rt_mq_t mq, void* buffer, rt_size_t size);
```

#### rt_mq_send_wait

```
rt_err_t rt_mq_send_wait(rt_mq_t     mq,
                         const void *buffer,
                         rt_size_t   size,
                         rt_int32_t  timeout);
```

### 接收消息

使用 `rt_mq_recv` 或 `rt_mq_recv_wait` 函数从队列接收消息。

#### rt_mq_recv

```
rt_err_t rt_mq_urgent(rt_mq_t mq, void* buffer, rt_size_t size);
```

#### rt_mq_recv_wait

```
rt_ssize_t rt_mq_recv (rt_mq_t mq, void* buffer,rt_size_t size, rt_int32_t timeout);
```

##  调试心得

1. **信号量（Semaphore）**
   - 信号量用于控制对共享资源的访问数量。在调试时，关注信号量的计数变化，避免死锁，如果有可能会导致优先级反转的情况，要使用互斥量。
2. **互斥量（Mutex）**
   - 互斥量保证同一时刻只有一个线程可以访问特定资源。调试时，检查锁的获取与释放是否成对出现，防止出现其他线程一直获取不到信号量。
3. **事件集（Event Set）**
   - 事件集通常用于通知机制，一个线程可以设置事件，而其他线程等待这些事件被触发。调试时，确保所有等待的线程最终都能收到事件通知，避免无限等待，不要忘记添加清除标记。
4. **邮箱（Mailbox）**
   - 邮箱是进程间通信的一种方式，允许发送和接收消息，但是只能发送四字节。调试时，检查消息是否正确无误地发送和接收，避免消息丢失或顺序错误。
5. **消息队列（Message Queue）**
   - 消息队列提供了一种先进先出的数据结构来存储和传递消息。在调试时，注意队列的长度限制，以及消息的入队和出队操作是否正确，防止队列溢出或下溢。