liteos信号量（八）

1. 概述

1.1 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。

1.2 运作机制

1.2.1 信号量控制块

/**
* @ingroup los_sem
* Semaphore control structure.
*/
typedef struct
{
    UINT8 usSemStat; /**是否使用标志位*/
    UINT16 uwSemCount; /**信号量索引号*/
    UINT32 usSemID; /**信号量计数*/
    LOS_DL_LIST stSemList; /**挂接阻塞于该信号量的任务*/
}SEM_CB_S;

1.2.2 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，详见第十章 配置参考），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。

2. 开发指导

2.1 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。

2.2 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_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

2.3 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

1. 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

1. 删除信号量LOS_SemDelet

2.4 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

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

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

例如：

LOS_ERRNO_SEM_NO_MEMORY LOS_ERRNO_OS_ERROR(LOS_MOD_SEM, 0x00))

2.5 平台差异性

2.6 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。

3. 编程实例

3.1 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。

3.2 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

#include "los_sem.h"
/*任务PID*/
static UINT32 g_TestTaskID01,g_TestTaskID02;
/*测试任务优先级*/
#define TASK_PRIO_TEST 5
/*信号量结构体ID*/
static SEM_HANDLE_T g_usSemID;
VOID Example_SemTask1(void)
{
    UINT32 uwRet;
    printf("Example_SemTask1 try get sem g_usSemID ,timeout 10 ticks.\n");
    /*定时阻塞模式申请信号量，定时时间为10Tick*/
    uwRet = LOS_SemPend(g_usSemID, 10);
    /*申请到信号量*/
    if(LOS_OK == uwRet)
    {
        LOS_SemPost(g_usSemID);
        return;
    }
    /*定时时间到，未申请到信号量*/
    if(LOS_ERRNO_SEM_TIMEOUT == uwRet)
    {
        printf("Example_SemTask1 timeout and try get sem g_usSemID wait forever.\n");
        /*永久阻塞模式申请信号量*/
        uwRet = LOS_SemPend(g_usSemID, LOS_WAIT_FOREVER);
        printf("Example_SemTask1 wait_forever and get sem g_usSemID .\n");
        if(LOS_OK == uwRet)
        {
            LOS_SemPost(g_usSemID);
            return;
        }
    }
    return;
}
VOID Example_SemTask2(void)
{
    UINT32 uwRet;
    printf("Example_SemTask2 try get sem g_usSemID wait forever.\n");
    /*永久阻塞模式申请信号量*/
    uwRet = LOS_SemPend(g_usSemID, LOS_WAIT_FOREVER);
    if(LOS_OK == uwRet)
        printf("Example_SemTask2 get sem g_usSemID and then delay 20ticks .\n");
        /*任务休眠20 Tick*/
        LOS_TaskDelay(20);
        printf("Example_SemTask2 post sem g_usSemID .\n");
        /*释放信号量*/
        LOS_SemPost(g_usSemID);
        return;
}
UINT32 Example_TaskEntry()
{
    UINT32 uwRet;
    TSK_INIT_PARAM_S stTask1;
    TSK_INIT_PARAM_S stTask2;
    /*创建信号量*/
    LOS_SemCreate(0,&g_usSemID);
    /*锁任务调度*/
    LOS_TaskLock();
    /*创建任务1*/
    memset(&stTask1, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
    stTask1.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_SemTask1;
    stTask1.pcName = "MutexTsk1";
    stTask1.uwStackSize = OS_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
    stTask1.usTaskPrio = TASK_PRIO_TEST;
    uwRet = LOS_TaskCreate(&g_TestTaskID01, &stTask1);
    if(uwRet != LOS_OK)
    {
        printf("task1 create failed .\n");
        return LOS_NOK;
    }
    /*创建任务2*/
    memset(&stTask2, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
    stTask2.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_SemTask2;
    stTask2.pcName = "MutexTsk2";
    stTask2.uwStackSize = OS_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
    stTask2.usTaskPrio = (TASK_PRIO_TEST - 1);
    uwRet = LOS_TaskCreate(&g_TestTaskID02, &stTask2);
    if(uwRet != LOS_OK)
    {
        printf("task2 create failed .\n");
        return LOS_NOK;
    }
    /*解锁任务调度*/
    LOS_TaskUnlock();
    uwRet = LOS_SemPost(g_usSemID);
    /*任务休眠40 Tick*/
    LOS_TaskDelay(40);
    /*删除信号量*/
    LOS_SemDelete(g_usSemID);
    /*删除任务1*/
    uwRet = LOS_TaskDelete(g_TestTaskID01);
    if(uwRet != LOS_OK)
    {
        printf("task1 delete failed .\n");
        return LOS_NOK;
    }
    /*删除任务2*/
    uwRet = LOS_TaskDelete(g_TestTaskID02);
    if(uwRet != LOS_OK)
    {
        printf("task2 delete failed .\n");
        return LOS_NOK;
    }
    return LOS_OK;
}

3.3 结果验证

编译运行得到的结果为：

Example_SemTask2 try get sem g_usSemID wait forever.
Example_SemTask1 try get sem g_usSemID ,timeout 10 ticks.
Example_SemTask2 get sem g_usSemID and then delay 20ticks .
Example_SemTask1 timeout and try get sem g_usSemID wait forever.
Example_SemTask2 post sem g_usSemID .
Example_SemTask1 wait_forever and get sem g_usSemID