互斥信号量相关的 API 函数详解

FreeRTOS 中的互斥信号量（Mutex Semaphore）是一种特殊的二值信号量，专为解决资源互斥访问和优先级反转问题设计。其核心特性是支持优先级继承（Priority Inheritance），当高优先级任务因等待低优先级任务持有的互斥量而阻塞时，低优先级任务会临时继承高优先级任务的优先级。以下是互斥信号量相关的 API 函数详解，包括动态和静态创建两种方式。

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1. 动态创建互斥信号量

函数原型

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex(void);

• 功能：动态分配内存并初始化一个互斥信号量。
• 参数：无。
• 返回值：
  • 成功：返回互斥量句柄（SemaphoreHandle_t）。
  • 失败：返回 NULL（内存不足时）。
• 特点：
  • 初始状态为 可用（计数值为 1，可直接获取）。
  • 需确保 FreeRTOS 堆内存足够（通过 configTOTAL_HEAP_SIZE 配置）。
  • 支持优先级继承（需配置 configUSE_MUTEXES = 1）。

示例代码

SemaphoreHandle_t xMutex = NULL;

void vTaskExample(void) {
    // 动态创建互斥信号量
    xMutex = xSemaphoreCreateMutex();
    if (xMutex != NULL) {
        // 创建成功
    }
}

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2. 静态创建互斥信号量

函数原型

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutexStatic(StaticSemaphore_t *pxMutexBuffer);

• 功能：使用用户预先分配的静态内存初始化互斥信号量。
• 参数：
  • pxMutexBuffer：指向 StaticSemaphore_t 类型变量的指针，用于存储互斥量内部数据。
• 返回值：
  • 成功：返回互斥量句柄。
  • 失败：返回 NULL（参数无效时）。
• 特点：
  • 初始状态为 可用。
  • 需预先分配 StaticSemaphore_t 结构体内存（全局或静态变量）。

示例代码

StaticSemaphore_t xMutexBuffer;
SemaphoreHandle_t xMutex = NULL;

void vTaskExample(void) {
    // 静态创建互斥信号量
    xMutex = xSemaphoreCreateMutexStatic(&xMutexBuffer);
    if (xMutex != NULL) {
        // 创建成功
    }
}

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3. 获取（Take）互斥量

函数原型

BaseType_t xSemaphoreTake(
    SemaphoreHandle_t xSemaphore,
    TickType_t xTicksToWait // 阻塞时间
);

• 功能：尝试获取互斥量。若已被占用，任务将阻塞等待。
• 参数：
  • xSemaphore：互斥量句柄。
  • xTicksToWait：阻塞时间（单位：系统节拍）。portMAX_DELAY 表示无限等待（需配置 INCLUDE_vTaskSuspend=1）。
• 返回值：
  • pdTRUE：成功获取互斥量。
  • pdFALSE：超时或参数无效。
• 关键规则：
  • 必须由获取互斥量的任务释放互斥量（不可跨任务释放）。

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4. 释放（Give）互斥量

函数原型

BaseType_t xSemaphoreGive(SemaphoreHandle_t xSemaphore);

• 功能：释放互斥量，允许其他任务获取。
• 参数：
  • xSemaphore：互斥量句柄。
• 返回值：
  • pdPASS：释放成功。
  • pdFAIL：释放失败（当前任务未持有该互斥量）。
• 注意：
  • 必须由持有互斥量的任务调用此函数。

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5. 删除互斥量

函数原型

void vSemaphoreDelete(SemaphoreHandle_t xSemaphore);

• 功能：删除互斥量并释放内存（仅对动态创建的互斥量有效）。
• 参数：
  • xSemaphore：互斥量句柄。
• 注意：
  • 删除前需确保无任务持有该互斥量，否则可能导致未定义行为。

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使用场景示例

保护共享资源

SemaphoreHandle_t xMutex = xSemaphoreCreateMutex();

// 任务 A 访问共享资源
void vTaskA(void *pvParameters) {
    while (1) {
        if (xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            // 安全访问共享资源
            // ...
            xSemaphoreGive(xMutex); // 释放互斥量
        }
        vTaskDelay(10);
    }
}

// 任务 B 访问共享资源
void vTaskB(void *pvParameters) {
    while (1) {
        if (xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            // 安全访问共享资源
            // ...
            xSemaphoreGive(xMutex); // 释放互斥量
        }
        vTaskDelay(10);
    }
}

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注意事项

1. 优先级继承：

   • 互斥量自动启用优先级继承，无需额外配置（需 configUSE_MUTEXES = 1）。
   • 当高优先级任务等待低优先级任务释放互斥量时，低优先级任务会临时继承高优先级任务的优先级。

2. 不可跨任务释放：

   • 必须由获取互斥量的任务释放，否则会导致 xSemaphoreGive 返回 pdFAIL。

3. 递归互斥量：

   • 若任务需多次获取同一互斥量，应使用递归互斥量（xSemaphoreCreateRecursiveMutex()），并通过 xSemaphoreTakeRecursive() 和 xSemaphoreGiveRecursive() 操作。

4. 中断中不可使用：

   • 互斥量不能在中断服务程序（ISR）中获取或释放（无 FromISR 版本）。

5. 死锁风险：

   • 避免同一任务多次获取互斥量（除非使用递归互斥量）。
   • 确保互斥量释放逻辑在所有代码路径中执行（如使用 goto 或 return 前释放）。

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互斥量 vs 二值信号量

特性	互斥量	二值信号量
初始值	1（可用）	0（不可用）
释放者	必须由获取者释放	任意任务或中断均可释放
优先级继承	支持	不支持
适用场景	保护共享资源，防止优先级反转	任务同步或简单事件通知

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通过合理使用互斥信号量，可确保共享资源的安全访问，避免数据竞争和优先级反转问题。