FreeRTOS 信号量使用注意事项

FreeRTOS 信号量使用注意事项

1. 信号量类型选择

二进制信号量：适用于简单的任务同步（如事件通知）
计数信号量：适用于管理有限数量的资源（如缓冲池）
互斥信号量：必须用于保护共享资源访问，防止优先级反转
递归互斥量：用于可能多次获取同一锁的复杂任务

// 正确：使用互斥信号量保护共享资源
SemaphoreHandle_t xMutex = xSemaphoreCreateMutex();

2. 获取/释放配对

每次获取(xSemaphoreTake)必须对应一次释放(xSemaphoreGive)
递归互斥量必须释放与获取相同的次数
避免"信号量泄漏"（获取后未释放）

void vTask(void *pvParams) {
    if(xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY)) {
        if(error) {
            xSemaphoreGive(xMutex); // 确保在所有退出路径都释放
            return;
        }
        xSemaphoreGive(xMutex);
    }
}

3. 阻塞时间设置

避免使用portMAX_DELAY（无限等待）除非必要
设置合理的超时时间，防止系统死锁
检查API返回值，处理超时情况

#define MUTEX_WAIT_MS 100  // 定义合理的超时时间

if(xSemaphoreTake(xMutex, pdMS_TO_TICKS(MUTEX_WAIT_MS)) == pdTRUE) {
    // 成功获取信号量
    // ...
    xSemaphoreGive(xMutex);
} else {
    // 处理超时情况
    logError("Mutex timeout");
}

4. 中断服务程序(ISR)中的使用

只能使用xSemaphoreGiveFromISR，不能使用阻塞函数
需要检查pxHigherPriorityTaskWoken参数
考虑使用延迟中断处理模式

void vInterruptHandler(void) {
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    
    xSemaphoreGiveFromISR(xBinarySem, &xHigherPriorityTaskWoken);
    
    // 如果需要上下文切换
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

5. 优先级反转问题

使用互斥信号量(Mutex)而非二进制信号量保护资源
互斥量具有优先级继承机制，可以缓解优先级反转
合理设计任务优先级
低优先级任务(获取Mutex) → 被中优先级任务抢占 → 高优先级任务(等待同一Mutex)

6. 死锁预防

避免嵌套获取多个信号量
如果需要多个信号量，确保所有任务以相同顺序获取
考虑使用超时机制

// 任务A:
xSemaphoreTake(xMutex1, portMAX_DELAY);
xSemaphoreTake(xMutex2, portMAX_DELAY);
// ...

// 任务B:
xSemaphoreTake(xMutex2, portMAX_DELAY);
xSemaphoreTake(xMutex1, portMAX_DELAY); // 可能导致死锁

解决方案

// 统一获取顺序：先1后2
// 任务A和任务B都按相同顺序获取
xSemaphoreTake(xMutex1, portMAX_DELAY);
xSemaphoreTake(xMutex2, portMAX_DELAY);

7. 性能考虑

信号量操作会引发上下文切换，减少不必要的信号量操作
临界区尽量短小，获取信号量后尽快释放
考虑使用直接任务通知替代信号量（FreeRTOS特有功能）

8. 资源清理

动态创建的信号量需要在使用完毕后删除
确保没有任务等待信号量时再删除
静态分配的信号量不需要删除

void vTaskCleanup(void) {
    // 确保没有任务在使用信号量
    vSemaphoreDelete(xSemaphore);
}

9. 调试与错误处理

检查所有信号量API的返回值
使用FreeRTOS的跟踪钩子函数监控信号量使用
添加足够的日志记录信号量操作

#define SEMAPHORE_DEBUG 1

#if SEMAPHORE_DEBUG
    #define SEM_TAKE(sem) \
        do { \
            printf("[%d] Taking sem %p\n", xTaskGetTickCount(), sem); \
            BaseType_t res = xSemaphoreTake(sem, portMAX_DELAY); \
            printf("[%d] %s sem %p %s\n", xTaskGetTickCount(), \
                  res==pdTRUE?"Acquired":"Failed to acquire", sem); \
        } while(0)
#else
    #define SEM_TAKE(sem) xSemaphoreTake(sem, portMAX_DELAY)
#endif