FreeRTOS 快速入门（六）之互斥量

最新推荐文章于 2024-10-17 21:18:07 发布

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#操作系统 #嵌入式 #FreeRTOS #互斥量

一、互斥量

1、基本概念

互斥量又称互斥信号量（本质是信号量），是一种特殊的二值信号量，它和信号量不同的是，它支持互斥量所有权、递归访问以及防止优先级翻转的特性，用于实现对临界资源的独占式处理。任意时刻互斥量的状态只有两种，开锁或闭锁。当互斥量被任务持有时，该互斥量处于闭锁状态，这个任务获得互斥量的所有权。当该任务释放这个互斥量时，该互斥量处于开锁状态，任务失去该互斥量的所有权。当一个任务持有互斥量时，其他任务将不能再对该互斥量进行开锁或持有。持有该互斥量的任务也能够再次获得这个锁而不被挂起，这就是递归访问，也就是递归互斥量的特性，这个特性与一般的信号量有很大的不同，在信号量中，由于已经不存在可用的信号量，任务递归获取信号量时会发生主动挂起任务最终形成死锁。

如果想要用于实现同步（任务之间或者任务与中断之间），二值信号量或许是更好的选择，虽然互斥量也可以用于任务与任务、任务与中断的同步，但是互斥量更多的是用于保护资源的互锁。

互斥锁可以被视为一个与正在共享的资源相关联的令牌，对于合法访问资源的任务，它必须首先成功 “获取” 令牌，成为资源的持有者，当持有者完成对资源的访问之后，其需要 ”归还” 令牌，只有 “归还” 令牌之后，该令牌才可以再次被其他任务所 “获取” ，这样保证了互斥的对共享资源的访问，上述机制如下图所示：

2、运作机制

用互斥量处理不同任务对临界资源的同步访问时，任务想要获得互斥量才能进行资源访问，如果一旦有任务成功获得了互斥量，则互斥量立即变为闭锁状态，此时其他任务会因为获取不到互斥量而不能访问这个资源，任务会根据用户自定义的等待时间进行等待，直到互斥量被持有的任务释放后，其他任务才能获取互斥量从而得以访问该临界资源，此时互斥量再次上锁，如此一来就可以确保每个时刻只有一个任务正在访问这个临界资源，保证了临界资源操作的安全性。

3、死锁现象

“死锁” 是使用互斥锁进行互斥的另一个潜在陷阱，当两个任务因为都在等待对方占用的资源而无法继续进行时，就会发生死锁，考虑如下所述的情况：

任务 A 执行并成功获取互斥量 X
任务 A 被任务 B 抢占
任务 B 在尝试获取互斥量 X 之前成功获取互斥量 Y，但互斥量 X 由任务 A 持有，因此对任务 B 不可用，任务 B 选择进入阻塞状态等待互斥量 X 被释放
任务 A 继续执行，它尝试获取互斥量 Y，但互斥量 Y 由任务 B 持有，所以对于任务 A 来说是不可用的，任务 A 选择进入阻塞状态等待待释放的互斥量 Y

经过上述的这样一个过程，读者可以发现任务 A 在等待任务 B 释放互斥量 Y ，而任务 B 在等待任务 A 释放互斥量 X ，两个任务都在阻塞状态无法执行，从而导致 ”死锁“ 现象的发生，与优先级翻转一样，避免 “死锁” 的最佳方法是在设计时考虑其潜在影响，并设计系统以确保不会发生死锁。