RT-Thread信号量与互斥信号量对比分析

• ​1. 信号量（Semaphore）​

  ​原理与结构

• ​核心机制：
  信号量通过计数器（value）表示可用资源数量。

  • ​获取信号量​（rt_sem_take）：若value > 0，value减1并返回成功；否则线程挂起等待。
  • ​释放信号量​（rt_sem_release）：若有等待线程，唤醒队列首线程；否则value加1，最大值为RT_SEM_VALUE_MAX（65535）。

• ​数据结构：

  struct rt_semaphore {
      struct rt_ipc_object parent;  // 继承自IPC对象
      rt_uint16_t value;            // 信号量计数器
      rt_uint16_t reserved;         // 保留字段
  };

• 资源池管理：
• 如停车场模型，初始值设为总资源数（如车位数量），线程获取/释放资源时计数器增减。
• ​线程同步：
  初始值设为0，线程A等待信号量，线程B完成任务后释放，触发A执行。
• ​中断与线程同步：
  中断服务函数释放信号量，通知线程处理异步事件。

代码示例

// 动态创建信号量（初始值1，FIFO队列）
rt_sem_t sem = rt_sem_create("sem_test", 1, RT_IPC_FLAG_FIFO);
// 获取信号量（永久等待）
rt_sem_take(sem, RT_WAITING_FOREVER);
// 释放信号量
rt_sem_release(sem);

• 源码拆解分析

  rt_err_t rt_sem_take(rt_sem_t sem, rt_int32_t time)

  rt_sem_take是RT-Thread中用于获取信号量的核心函数，其核心逻辑如下：

• 检查信号量可用性：若信号量值（sem->value）大于0，直接获取（value--）并返回成功。

• ​处理不可用场景：若信号量为0且time=0，立即返回超时错误；否则挂起当前线程，并启动超时定时器（若time>0）。

• 线程调度与唤醒：挂起线程后触发调度器切换，等待其他线程释放信号量或超时唤醒

​2. 互斥信号量（Mutex）​

​原理与结构

• ​核心机制：
  互斥量用于严格互斥访问共享资源，支持优先级继承防止优先级翻转。

  • ​优先级继承：当低优先级线程持有互斥量时，若高优先级线程等待，临时提升持有者优先级至等待线程的最高优先级。
  • ​递归持有：同一线程可多次获取互斥量（hold计数），需相同次数释放。

• ​数据结构：

• struct rt_mutex {
      struct rt_ipc_object parent;  // 继承自IPC对象
      rt_uint16_t value;            // 互斥量状态（0或1）
      rt_uint8_t original_priority;  // 持有者原始优先级
      rt_uint8_t hold;              // 递归持有计数
      struct rt_thread *owner;      // 当前持有线程
  };

  应用场景

• ​共享资源保护：
  如共享内存或硬件外设访问，确保同一时间仅一个线程操作。
• ​防止优先级翻转：
  通过优先级继承避免低优先级线程阻塞高优先级线程。

示例代码

// 动态创建互斥量（优先级队列）
rt_mutex_t mutex = rt_mutex_create("mutex_test", RT_IPC_FLAG_PRIO);
// 获取互斥量（永久等待）
rt_mutex_take(mutex, RT_WAITING_FOREVER);
// 释放互斥量
rt_mutex_release(mutex);

源码拆解分析

rt_err_t rt_mutex_take(rt_mutex_t mutex, rt_int32_t time)

rt_mutex_take是RT-Thread中用于获取互斥量的核心函数，其设计目标是通过优先级继承解决优先级翻转问题，同时支持递归持有和严格互斥访问。核心逻辑如下：

1. ​递归持有检查：若当前线程已持有互斥量，增加递归计数（hold）并直接返回成功。
2. ​互斥量可用性判断：若互斥量未被占用（value > 0），设置持有者并更新优先级；否则挂起线程并触发优先级继承。
3. ​超时与唤醒机制：若指定time > 0，启动定时器并挂起线程，超时或互斥量释放后唤醒线程。

•  3.核心区别对比

  ​特性	​信号量	​互斥量
  ​计数器范围	0~65535（支持资源池）	仅0或1（二进制互斥）
  ​优先级继承	不支持	支持，避免优先级翻转
  ​递归持有	不支持	支持（hold计数）
  ​释放者身份限制	任意线程或中断均可释放	必须由持有者释放
  ​适用场景	同步、资源池管理	严格互斥访问，需避免优先级反转的共享资源保护