4.7 信号量

概述

基本概念

信号量（Semaphore）是一种实现任务间通信的机制，实现任务之间同步或临界资源的互斥访问。常用于协助一组相互竞争的任务来访问临界资源。

在多任务系统中，各任务之间需要同步或互斥实现临界资源的保护，信号量功能可以为用户提供这方面的支持。

通常一个信号量的计数值用于对应有效的资源数，表示剩下的可被占用的互斥资源数。其值的含义分两种情况：

  • 0，表示没有积累下来的Post操作，且有可能有在此信号量上阻塞的任务。

  • 正值，表示有一个或多个Post下来的释放操作。

以同步为目的的信号量和以互斥为目的的信号量在使用有如下不同：

  • 用作互斥时，信号量创建后记数是满的，在需要使用临界资源时，先取信号量，使其变空，这样其他任务需要使用临界资源时就会因为无法取到信号量而阻塞，从而保证了临界资源的安全。

  • 用作同步时，信号量在创建后被置为空，任务1取信号量而阻塞，任务2在某种条件发生后，释放信号量，于是任务1得以进入READY或RUNNING态，从而达到了两个任务间的同步。

运作机制

信号量控制块 

  1. /**
  2.  * @ingroup los_sem
  3.  * Semaphore control structure.
  4.  */
  5. typedef struct
  6. {
  7.     UINT16           usSemStat;          /**是否使用标志位*/
  8.     UINT16          uwSemCount;         /**信号量索引号*/
  9.     UINT16          usMaxSemCount;      /**信号量最大数*/
  10.     UINT16          usSemID;            /**信号量计数*/
  11.     LOS_DL_LIST     stSemList;          /**挂接阻塞于该信号量的任务*/
  12. }SEM_CB_S;

信号量运作原理

信号量初始化，为配置的N个信号量申请内存（N值可以由用户自行配置，受内存限制），并把所有的信号量初始化成未使用，并加入到未使用链表中供系统使用。

信号量创建，从未使用的信号量链表中获取一个信号量资源，并设定初值。

信号量申请，若其计数器值大于0，则直接减1返回成功。否则任务阻塞，等待其它任务释放该信号量，等待的超时时间可设定。当任务被一个信号量阻塞时，将该任务挂到信号量等待任务队列的队尾。

信号量释放，若没有任务等待该信号量，则直接将计数器加1返回。否则唤醒该信号量等待任务队列上的第一个任务。

信号量删除，将正在使用的信号量置为未使用信号量，并挂回到未使用链表。

信号量允许多个任务在同一时刻访问同一资源，但会限制同一时刻访问此资源的最大任务数目。访问同一资源的任务数达到该资源的最大数量时，会阻塞其他试图获取该资源的任务，直到有任务释放该信号量。

信号量运作示意图
4.7.信号量 - 图1

开发指导

使用场景

信号量是一种非常灵活的同步方式，可以运用在多种场合中，实现锁、同步、资源计数等功能，也能方便的用于任务与任务，中断与任务的同步中。

功能

Huawei LiteOS 系统中的信号量模块为用户提供下面几种功能。

功能分类 接口名 描述
信号量的创建和删除 LOS_SemCreate 创建信号量
LOS_BinarySemCreate 创建二进制信号量
LOS_SemDelete 删除指定的信号量
信号量的申请和释放 LOS_SemPend 申请指定的信号量
LOS_SemPost 释放指定的信号量

开发流程

信号量的开发典型流程：

  1. 创建信号量LOS_SemCreate。

  2. 申请信号量LOS_SemPend。

    信号量有三种申请模式：无阻塞模式、永久阻塞模式、定时阻塞模式

    • 无阻塞模式：任务需要申请信号量，若当前信号量的任务数没有到信号量设定的上限，则申请成功。否则，立即返回申请失败

    • 永久阻塞模式：任务需要申请信号量，若当前信号量的任务数没有到信号量设定的上限，则申请成功。否则，该任务进入阻塞态，系统切换到就绪任务中优先级最高者继续执行。任务进入阻塞态后，直到有其他任务释放该信号量，阻塞任务才会重新得以执行

    • 定时阻塞模式：任务需要申请信号量，若当前信号量的任务数没有到信号量设定的上限，则申请成功。否则，该任务进入阻塞态，系统切换到就绪任务中优先级最高者继续执行。任务进入阻塞态后，指定时间超时前有其他任务释放该信号量，或者用户指定时间超时后，阻塞任务才会重新得以执行

  3. 释放信号量LOS_SemPost。

    • 如果有任务阻塞于指定信号量，则唤醒该信号量阻塞队列上的第一个任务。该任务进入就绪态，并进行调度

    • 如果没有任务阻塞于指定信号量，释放信号量成功

  4. 删除信号量LOS_SemDelete。

信号量错误码

对可能导致信号量操作失败的情况，包括创建信号量、申请信号量、释放信号量、删除信号量等，均需要返回对应的错误码，以便快速定位错误原因。

序号 定义 实际数值 描述 参考解决方案
1 LOS_ERRNO_SEM_NO_MEMORY 0x02000700 内存空间不足 分配更大的内存分区
2 LOS_ERRNO_SEM_INVALID 0x02000701 非法传参 改变传数为合法值
3 LOS_ERRNO_SEM_PTR_NULL 0x02000702 传入空指针 传入合法指针
4 LOS_ERRNO_SEM_ALL_BUSY 0x02000703 信号量控制块不可用 释放资源信号量资源
5 LOS_ERRNO_SEM_UNAVAILABLE 0x02000704 定时时间非法 传入正确的定时时间
6 LOS_ERRNO_SEM_PEND_INTERR 0x02000705 中断期间非法调用LOS_SemPend 中断期间禁止调用LOS_SemPend
7 LOS_ERRNO_SEM_PEND_IN_LOCK 0x02000706 任务被锁，无法获得信号量 在任务被锁时，不能调用LOS_SemPend
8 LOS_ERRNO_SEM_TIMEOUT 0x02000707 获取信号量时间超时 将时间设置在合理范围内
9 LOS_ERRNO_SEM_OVERFLOW 0x02000708 信号量允许pend次数超过最大值 传入合法的值
10 LOS_ERRNO_SEM_PENDED 0x02000709 等待信号量的任务队列不为空 唤醒所有等待该型号量的任务后删除该信号量

错误码定义： 错误码是一个32位的存储单元，31~24位表示错误等级，23~16位表示错误码标志，15~8位代表错误码所属模块，7~0位表示错误码序号，如下

  1. #define LOS_ERRNO_OS_NORMAL(MID,ERRNO)  \
  2. (LOS_ERRTYPE_NORMAL | LOS_ERRNO_OS_ID | ((UINT32)(MID) << 8) | (ERRNO))
  3. LOS_ERRTYPE_NORMAL ：Define the error level as critical
  4. LOS_ERRNO_OS_ID ：OS error code flag.
  5. MID：OS_MOUDLE_ID
  6. ERRNO：error ID number

例如： 

  1. LOS_ERRNO_SEM_NO_MEMORY        LOS_ERRNO_OS_ERROR(LOS_MOD_SEM, 0x00))

平台差异性

无。

注意事项

  • 由于中断不能被阻塞，因此在申请信号量时，阻塞模式不能在中断中使用。

编程实例

实例描述

本实例实现如下功能：

  1. 测试任务Example_TaskEntry创建一个信号量，锁任务调度，创建两个任务Example_SemTask1、Example_SemTask2,Example_SemTask2优先级高于Example_SemTask1，两个任务中申请同一信号量，解锁任务调度后两任务阻塞，测试任务Example_TaskEntry释放信号量。

  2. Example_SemTask2得到信号量，被调度，然后任务休眠20Tick，Example_SemTask2延迟，Example_SemTask1被唤醒。

  3. Example_SemTask1定时阻塞模式申请信号量，等待时间为10Tick，因信号量仍被Example_SemTask2持有，Example_SemTask1挂起，10Tick后仍未得到信号量，Example_SemTask1被唤醒，试图以永久阻塞模式申请信号量，Example_SemTask1挂起。

  4. 20Tick后Example_SemTask2唤醒， 释放信号量后，Example_SemTask1得到信号量被调度运行，最后释放信号量。

  5. Example_SemTask1执行完，40Tick后任务Example_TaskEntry被唤醒。

编程示例

前提条件：

在los_config.h中，将LOSCFG_BASE_IPC_SEM配置为YES。

配置用户定义的LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT最大的信号量数，如1024。

代码实现如下： 

  1. /*测试任务优先级*/
  2. #define TASK_PRIO_TEST  5
  4. /*任务PID*/
  5. static UINT32 g_TestTaskID01,g_TestTaskID02;
  6. /*信号量结构体ID*/
  7. static UINT32 g_usSemID;
  10. static VOID Example_SemTask1(void)
  11. {
  12.     UINT32 uwRet;
  14.     dprintf("Example_SemTask1 try get sem g_usSemID ,timeout 10 ticks.\n");
  15.     /*定时阻塞模式申请信号量，定时时间为10Tick*/
  16.     uwRet = LOS_SemPend(g_usSemID, 10);
  18.     /*申请到信号量*/
  19.     if(LOS_OK == uwRet)
  20.     {
  21.         LOS_SemPost(g_usSemID);
  22.         return;
  23.     }
  24.     /*定时时间到，未申请到信号量*/
  25.     if(LOS_ERRNO_SEM_TIMEOUT == uwRet)
  26.     {
  27.         dprintf("Example_SemTask1 timeout and try get sem g_usSemID wait forever.\n");
  28.         /*永久阻塞模式申请信号量,获取不到时程序阻塞，不会返回*/
  29.         uwRet = LOS_SemPend(g_usSemID, LOS_WAIT_FOREVER);
  30.         if(LOS_OK == uwRet)
  31.         {
  32.             dprintf("Example_SemTask1 wait_forever and got sem g_usSemID success.\n");
  33.             LOS_SemPost(g_usSemID);
  34.             uwRet = LOS_InspectStatusSetByID(LOS_INSPECT_SEM,LOS_INSPECT_STU_SUCCESS);
  35.             if (LOS_OK != uwRet)  
  36.             {
  37.                 dprintf("Set Inspect Status Err\n");
  38.             }
  39.             return;
  40.         }
  41.     }
  42.     return;
  43. }
  45. static VOID Example_SemTask2(void)
  46. {
  47.     UINT32 uwRet;
  48.     dprintf("Example_SemTask2 try get sem g_usSemID wait forever.\n");
  49.     /*永久阻塞模式申请信号量*/
  50.     uwRet = LOS_SemPend(g_usSemID, LOS_WAIT_FOREVER);
  52.     if(LOS_OK == uwRet)
  53.     {
  54.         dprintf("Example_SemTask2 get sem g_usSemID and then delay 20ticks .\n");
  55.     }
  57.     /*任务休眠20 Tick*/
  58.     LOS_TaskDelay(20);
  60.     dprintf("Example_SemTask2 post sem g_usSemID .\n");
  61.     /*释放信号量*/
  62.     LOS_SemPost(g_usSemID);
  64.     return;
  65. }
  67. UINT32 Example_Semphore(VOID)
  68. {
  69.     UINT32 uwRet = LOS_OK;
  70.     TSK_INIT_PARAM_S stTask1;
  71.     TSK_INIT_PARAM_S stTask2;
  73.    /*创建信号量*/
  74.     LOS_SemCreate(0,&g_usSemID);
  76.     /*锁任务调度*/
  77.     LOS_TaskLock();
  79.     /*创建任务1*/
  80.     memset(&stTask1, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
  81.     stTask1.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_SemTask1;
  82.     stTask1.pcName       = "MutexTsk1";
  83.     stTask1.uwStackSize  = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_IDLE_STACK_SIZE;
  84.     stTask1.usTaskPrio   = TASK_PRIO_TEST;
  85.     uwRet = LOS_TaskCreate(&g_TestTaskID01, &stTask1);
  86.     if(uwRet != LOS_OK)
  87.     {
  88.         dprintf("task1 create failed .\n");
  89.         return LOS_NOK;
  90.     }
  92.     /*创建任务2*/
  93.     memset(&stTask2, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
  94.     stTask2.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_SemTask2;
  95.     stTask2.pcName       = "MutexTsk2";
  96.     stTask2.uwStackSize  = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_IDLE_STACK_SIZE;
  97.     stTask2.usTaskPrio   = (TASK_PRIO_TEST - 1);
  98.     uwRet = LOS_TaskCreate(&g_TestTaskID02, &stTask2);
  99.     if(uwRet != LOS_OK)
  100.     {
  101.         dprintf("task2 create failed .\n");
  103.         /*删除任务1*/
  104.         if(LOS_OK != LOS_TaskDelete(g_TestTaskID01))
  105.         {
  106.             dprintf("task1 delete failed .\n");
  107.         }
  109.         return LOS_NOK;
  110.     }
  112.     /*解锁任务调度*/
  113.     LOS_TaskUnlock();
  115.     uwRet = LOS_SemPost(g_usSemID);
  117.     /*任务休眠40 Tick*/
  118.     LOS_TaskDelay(40);
  120.     /*删除信号量*/
  121.     LOS_SemDelete(g_usSemID);
  123.     return uwRet;
  124. }

结果验证

编译运行得到的结果为：
4.7.信号量 - 图2