RT-Thread线程同步与线程通信

一、线程同步

• 线程同步的使用场景
  
  例如一项工作中的两个线程：一个线程从传感器中接收数据并且将数据写到共享内存中，同时另一个线程周期性的从共享内存中读取数据并发送去显示，下图描述了两个线程间的数据传递：
  
  

• 临界区
  
  多个线程操作 / 访问同一块区域（代码），这块代码就称为临界区，上述例子中的共享内存块就是临界区。

  线程互斥是指对于临界区资源访问的排它性。当多个线程都要使用临界区资源时，任何时刻最多只允许一个线程去使用，其它要使用该资源的线程必须等待，直到占用资源者释放该资源。线程互斥可以看成是一种特殊的线程同步。

• 线程同步的作用
  
  简单来说RT-Thread的信号量（semaphore）、互斥量（mutex）、和事件集（event）的作用都是保证共享内存的互斥性。

• 线程之外的临界区使用

  调用 rt_enter_critical() 进入临界区，调用 rt_exit_critical() 退出临界区；

  调用 rt_hw_interrupt_disable() 进入临界区，调用 rt_hw_interrupt_enable() 退出临界区。（关闭全局中断）

• rt_enter_critical()的使用场景
  
  在重定义rt_hw_console_output函数的时候会使用临界区，主要是防止在线程中打印信息时，被高优先级的线程抢占，导致打印信息的异常发生，如下图所示：
  
  

信号量

• 信号量的使用：
  
  简单来说：信号量时是一个非负数的标识，当信号量大于零时，可以rt_sem_take函数获得信号量，获取信号量后会将标识减 1 而释放信号的过程，便是将标识加1。

  注意： rt_sem_take函数无法获取信号时，此线程将挂起等待一段时间，或者永久等待。

• 信号量的互斥使用
  
  其实互斥量也是信号量的一种，当信号量值始终在 1 和 0 之间变动时，便可实现锁的功能。

互斥量

互斥量又叫相互排斥的信号量，是一种特殊的二值信号量。

• 互斥量的使用场景
  
  互斥量的使用比较单一，因为它是信号量的一种，并且它是以锁的形式存在。在初始化的时候，互斥量永远都处于开锁的状态，而被线程持有的时候则立刻转为闭锁的状态。互斥量更适合于：

  • 线程多次持有互斥量的情况下。这样可以避免同一线程多次递归持有而造成死锁的问题。

  • 可能会由于多线程同步而造成优先级翻转的情况。

事件集

事件集与信号量不同，它的特点是可以实现一对多，多对多的同步。集合可以用一个 32 位无符号整型变量来表示，变量的每一位代表一个事件，线程通过 “逻辑与” 或“逻辑或”将一个或多个事件关联起来，形成事件组合。

注意：如果信息标记同时设置了清除标记位，则当线程 #1 唤醒后将主动把事件 1 和事件 30 清为零，否则事件标志将依然存在（即置 1）。

线程优先级翻转

上面说到，互斥量是信号量的一种，那么为啥还要设计互斥量了，当使用信号量实现锁功能的时候，线程执行的图片如下所示：

注意：从图上可以看出，假设执行到A线成时，无法获取到锁，那么A线程将进入等待状态，并不会被挂起，所以通过信号量实现锁是比较浪费资源的。

那么在使用互斥量会发生什么样的现象，当线程 C 先持有互斥量，而后线程 B 试图持有互斥量，此时线程 3 的优先级被零时提升为和线程 2 的优先级相同。所释放后，线程C将回到原有的优先级

二、线程通信

上面的线程同步中通过信号量、互斥量、事件集的实现保护临界区实现线程中的通信，但是这样的操作会使逻辑变得很复杂，所以RT-Thread提供了线程通信，将线程同步与线程通信的使用场景分开。

邮箱

• 邮箱的使用场合
  
  邮箱是一种简单的线程间消息传递方式，特点是开销比较低，效率较高。在 RT-Thread 操作系统的实现中能够一次传递一个 4 字节大小的邮件，并且邮箱具备一定的存储功能，能够缓存一定数量的邮件数 (邮件数由创建、初始化邮箱时指定的容量决定)。邮箱中一封邮件的最大长度是 4 字节，所以邮箱能够用于不超过 4 字节的消息传递。

  注意：因为邮箱一次传递的信息最大长度是 4 字节，所以邮箱很少用于传递实际的信息，都是通过传递信息存放的地址。

消息队列

消息队列是另一种常用的线程间通讯方式，是邮箱的扩展。可以应用在多种场合：线程间的消息交换、使用串口接收不定长数据等。

• 消息队列的使用场合
  
  消息队列可以应用于发送不定长消息的场合，包括线程与线程间的消息交换，以及中断服务例程中给线程发送消息（中断服务例程不能接收消息）。下面分发送消息和同步消息两部分来介绍消息队列的使用。

  注意：当创建的是一个所有消息的最大长度是 4 字节的消息队列时，消息队列对象将蜕化成邮箱。

信号

信号（又称为软中断信号），在软件层次上是对中断机制的一种模拟，在原理上，一个线程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是类似的。