FreeRTOS 互斥信号量结构体 SemaphoreData

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一、结构体定义与功能定位

typedef struct SemaphoreData {
    TaskHandle_t xMutexHolder;        /**< 持有互斥量的任务句柄 */
    UBaseType_t uxRecursiveCallCount; /**< 递归调用计数器 */
} SemaphoreData_t;

该结构体是 FreeRTOS 中递归互斥信号量（Recursive Mutex）的核心数据结构，用于解决同一任务多次获取互斥量时的资源管理问题。其设计目标是为关键资源提供嵌套锁机制，允许持有互斥量的任务多次进入临界区而不会引发死锁。

二、成员详解

1. `xMutexHolder`

类型：TaskHandle_t（任务句柄类型，本质为指向任务控制块 TCB 的指针）
功能：
- 记录当前持有互斥信号量的任务身份。当任务首次获取互斥量时，系统会将任务句柄写入该字段。
- 用于实现优先级继承机制（Priority Inheritance）：当低优先级任务持有互斥量时，若高优先级任务尝试获取，系统会临时提升持有者的优先级以避免优先级反转问题。
应用场景：
在任务 A 调用 xSemaphoreTakeRecursive() 获取互斥量后，xMutexHolder 指向任务 A 的 TCB，确保其他任务无法获取该互斥量，直到任务 A 释放。

2. `uxRecursiveCallCount`

类型：UBaseType_t（无符号整型，通常为 uint32_t）
功能：
- 记录同一任务对互斥量的递归获取次数。每次成功调用 xSemaphoreTakeRecursive() 时计数器加 1，调用 xSemaphoreGiveRecursive() 时减 1。
- 当计数器归零时，系统才会真正释放互斥量，允许其他任务获取。

设计意义：
支持嵌套锁逻辑，例如在递归函数中多次访问同一资源：

void recursiveFunc() {
    xSemaphoreTakeRecursive(mutex); // uxRecursiveCallCount 从 0→1
    // 临界区操作
    recursiveFunc();                // 再次调用时 uxRecursiveCallCount 从 1→2
    xSemaphoreGiveRecursive(mutex); // uxRecursiveCallCount 从 2→1→0
}

三、与 FreeRTOS 其他信号量的对比

特性	递归互斥信号量（SemaphoreData_t）	普通互斥信号量	计数信号量
持有者跟踪	通过 `xMutexHolder` 明确记录任务身份	无明确持有者字段	无持有者概念
递归支持	支持（`uxRecursiveCallCount` 计数）	不支持（重复获取导致死锁）	不支持
优先级继承	支持	支持	不支持
资源释放条件	递归计数器归零时释放	直接释放	计数器减 1（非零时仍可获取）

四、底层实现机制

互斥量创建
当调用 xSemaphoreCreateRecursiveMutex() 时，FreeRTOS 会初始化 SemaphoreData_t 结构体：
- xMutexHolder = NULL（初始无持有者）
- uxRecursiveCallCount = 0（初始未锁定）
递归获取逻辑
- 若当前任务非持有者（xMutexHolder != self），执行标准互斥量获取流程，并将 xMutexHolder 设为自身。
- 若当前任务已是持有者（xMutexHolder == self），仅递增 uxRecursiveCallCount，不触发任务调度。
优先级继承实现
当高优先级任务因互斥量被阻塞时，内核通过 xMutexHolder 定位持有者，并临时提升其优先级至与阻塞任务相同，确保持有者尽快释放资源。