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.      UINT8           semStat;          /**是否使用标志位*/ 
  8.      UINT16          semCount;         /**信号量计数*/ 
  9.      UINT32          semID;            /**信号量索引号*/ 
  10.      LOS_DL_LIST     semList;          /**挂接阻塞于该信号量的任务*/ 
  11.  }LosSemCB;

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。

图 1 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。

11

LOS_ERRNO_SEM_PEND_IN_SYSTEM_TASK

0x0200070a

系统任务中获取sem，如idle和软件定时器

不要在系统任务中获取sem

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，如下所示：

  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。执行删除信号量，删除两个任务。

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.  #include "los_sem.h" 
  3.  /*任务PID*/ 
  4.  static UINT32 g_TestTaskID01,g_TestTaskID02; 
  5.  /*测试任务优先级*/ 
  6.  #define TASK_PRIO_TEST  5 
  7.  /*信号量结构体ID*/ 
  8.  static SEM_HANDLE_T g_usSemID; 
  11.  VOID Example_SemTask1(void) 
  12.  { 
  13.      UINT32 uwRet; 
  15.      printf("Example_SemTask1 try get sem g_usSemID ,timeout 10 ticks.\n"); 
  16.      /*定时阻塞模式申请信号量，定时时间为10Tick*/ 
  17.      uwRet = LOS_SemPend(g_usSemID, 10); 
  19.      /*申请到信号量*/ 
  20.      if(LOS_OK == uwRet) 
  21.      { 
  22.           LOS_SemPost(g_usSemID); 
  23.           return; 
  24.      } 
  25.      /*定时时间到，未申请到信号量*/ 
  26.      if(LOS_ERRNO_SEM_TIMEOUT == uwRet) 
  27.      { 
  28.          printf("Example_SemTask1 timeout and try get sem g_usSemID wait forever.\n"); 
  29.          /*永久阻塞模式申请信号量*/ 
  30.          uwRet = LOS_SemPend(g_usSemID, LOS_WAIT_FOREVER); 
  31.          printf("Example_SemTask1 wait_forever and get sem g_usSemID .\n"); 
  32.          if(LOS_OK == uwRet) 
  33.          { 
  34.              LOS_SemPost(g_usSemID); 
  35.              return; 
  36.          } 
  37.      } 
  38.      return; 
  40.  } 
  41.   VOID   Example_SemTask2(void) 
  42.  { 
  43.      UINT32 uwRet; 
  44.      printf("Example_SemTask2 try get sem g_usSemID wait forever.\n"); 
  45.      /*永久阻塞模式申请信号量*/ 
  46.      uwRet = LOS_SemPend(g_usSemID, LOS_WAIT_FOREVER); 
  48.      if(LOS_OK == uwRet) 
  49.      printf("Example_SemTask2 get sem g_usSemID and then delay 20ticks .\n"); 
  51.      /*任务休眠20 Tick*/ 
  52.      LOS_TaskDelay(20); 
  54.      printf("Example_SemTask2 post sem g_usSemID .\n"); 
  55.      /*释放信号量*/ 
  56.      LOS_SemPost(g_usSemID); 
  58.      return; 
  60.  } 
  61.  UINT32 Example_TaskEntry() 
  62.  { 
  63.      UINT32 uwRet; 
  64.      TSK_INIT_PARAM_S stTask1; 
  65.      TSK_INIT_PARAM_S stTask2; 
  67.     /*创建信号量*/ 
  68.      LOS_SemCreate(0,&g_usSemID); 
  70.      /*锁任务调度*/ 
  71.      LOS_TaskLock(); 
  73.      /*创建任务1*/ 
  74.      memset(&stTask1, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S)); 
  75.      stTask1.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_SemTask1; 
  76.      stTask1.pcName       = "MutexTsk1"; 
  77.      stTask1.uwStackSize  = OS_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE; 
  78.      stTask1.usTaskPrio   = TASK_PRIO_TEST; 
  79.      uwRet = LOS_TaskCreate(&g_TestTaskID01, &stTask1); 
  80.      if(uwRet != LOS_OK) 
  81.      { 
  82.          printf("task1 create failed .\n"); 
  83.          return LOS_NOK; 
  84.      } 
  86.      /*创建任务2*/ 
  87.      memset(&stTask2, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S)); 
  88.      stTask2.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_SemTask2; 
  89.      stTask2.pcName       = "MutexTsk2"; 
  90.      stTask2.uwStackSize  = OS_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE; 
  91.      stTask2.usTaskPrio   = (TASK_PRIO_TEST - 1); 
  92.      uwRet = LOS_TaskCreate(&g_TestTaskID02, &stTask2); 
  93.      if(uwRet != LOS_OK) 
  94.      { 
  95.          printf("task2 create failed .\n"); 
  96.          return LOS_NOK; 
  97.      } 
  99.      /*解锁任务调度*/ 
  100.      LOS_TaskUnlock(); 
  102.      uwRet = LOS_SemPost(g_usSemID); 
  104.      /*任务休眠40 Tick*/ 
  105.      LOS_TaskDelay(40); 
  107.      /*删除信号量*/ 
  108.      LOS_SemDelete(g_usSemID); 
  110.      /*删除任务1*/ 
  111.      uwRet = LOS_TaskDelete(g_TestTaskID01); 
  112.      if(uwRet != LOS_OK) 
  113.      { 
  114.          printf("task1 delete failed .\n"); 
  115.          return LOS_NOK; 
  116.      } 
  117.      /*删除任务2*/ 
  118.      uwRet = LOS_TaskDelete(g_TestTaskID02); 
  119.      if(uwRet != LOS_OK) 
  120.      { 
  121.          printf("task2 delete failed .\n"); 
  122.          return LOS_NOK; 
  123.      } 
  125.      return LOS_OK; 
  126.  }

结果验证

编译运行得到的结果为：

  1. Example_SemTask2 try get sem g_usSemID wait forever.
  2. Example_SemTask1 try get sem g_usSemID ,timeout 10 ticks.
  3. Example_SemTask2 get sem g_usSemID and then delay 20ticks .
  4. Example_SemTask1 timeout and try get sem g_usSemID wait forever.
  5. Example_SemTask2 post sem g_usSemID .
  6. Example_SemTask1 wait_forever and get sem g_usSemID .

完整实例代码

sample_sem.c