• 以生活中的停车场为例来理解信号量的概念：

    1. 当停车场空的时候， 停车场的管理员发现有很多空车位， 此时会让外面的车陆续进入停车场获得停车位；
    2. 当停车场的车位满的时候， 管理员发现已经没有空车位， 将禁止外面的车进入停车场， 车辆在外排队等候；
    3. 当停车场内有车离开时， 管理员发现有空的车位让出， 允许外面的车进入停车场； 待空车位填满后， 又禁止外部车辆进入。

  • 在此例子中

    • 管理员手中的空车位就相当于信号量
    • 管理员手中空车位的个数就是信号量的值
    • 停车位相当于公共资源
    • 车辆相当于线程
    • 车辆通过获得管理员的允许取得停车位， 就类似于，线程通过获得信号量访问公共资源

  • 信号量的工作机制

    • 信号量是一种轻型的用于解决线程间同步问题的内核对象，线程可以获取或释放它，从而达到同步或互斥的目的。

      image.png

    • 在 RT-Thread 中，信号量控制块是操作系统用于管理信号量的一个数据结构

      • rtos\rt-thread\include\rtdef.h

        #ifdef RT_USING_SEMAPHORE
/**
 * Semaphore(**信号量**) structure
 *
 * **信号量控制块**
 */
struct rt_semaphore
{
    struct rt_ipc_object parent;         /**< inherit(**继承**) from ipc_object(**进[线]程间通信对象**) */

    rt_uint16_t          value;          /**< **信号量的值** ， 它是uint16_t类型的，所以它的**最大值**为**65535***/
    rt_uint16_t          reserved;       /**< 保留字段 */
};
typedef struct rt_semaphore *rt_sem_t;
#endif

// **定义静态信号量**
struct rt_semaphore static_sem; **// 结构体类型**

// **定义动态信号量 （后续需要我们自己去给它分配内存空间）**
rt_sem_t dynamic_sem; **// 指针类型**

  • 定义好信号量之后，就需要对信号量进行相应的操作，RT-Thread中提供了一整套对信号量进行操作的API

  • 信号量的操作

    • 初始化与脱离（针对于静态信号量）

      //                                                                        **决定了信号量的值为0的时候，多个线程等待信号量的排列方式
//                                                                        |**                  
// **静态信号量的初始化   信号量指针      信号量名称         信号量初始值      信号量标志位————————————> RT_IPC_FLAG_FIFO—————先进先出，先进入线程等待队列的线程将优先获得信号量**
rt_err_t rt_sem_init(rt_sem_t sem, const char *name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag); // **|———>** **RT_IPC_FLAG_PRIO—————线程将按照优先级的方式排队等候信号量，优先级高的线程将优先获得信号量**
**// 通过这个函数，可以将静态信号量，加入，系统的，对象管理器**

// **静态信号量的脱离      信号量指针**
rt_err_t rt_sem_detach(rt_sem_t sem); // **不再使用**这个**静态信号量**的**时**候，用于**将静态信号量从系统的，对象管理器，中移除，释放系统资源**

    • 创建与删除（针对于动态信号量）

      // **动态信号量的创建        信号量名称        信号量初始值       信号量标志位————> 1.RT_IPC_FLAG_FIFO**    2.**RT_IPC_FLAG_PRIO**
rt_sem_t rt_sem_create(const char *name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag); // 需要**动态申请**信号量所占的**内存空间**
// **创建成功之后**，得到 rt_sem_t dynamic_sem 的**指针**，**需要进行判断**一下，如果 dynamic_sem **不为 NULL**，那么说明**创建成功**了，那么接下来就可以**对新创建的**这个**动态信号量**进行**操作**

// **动态信号量的删除      信号量指针**
rt_err_t rt_sem_delete(rt_sem_t sem); // **不再使用**这个**动态信号量**的**时**候，用于**将动态信号量从系统的，对象管理器，中移除，释放系统资源**

    • 获取信号量

      • 注意：当获取不到信号量的时候，这两个函数会导致线程被挂起，所以这个API只能在线程中去调用，不能在中断(ISR)中去调用

      • 但中断上下文不允许阻塞，因为它没有关联的线程上下文，阻塞会导致系统未定义行为（如死锁或崩溃）

        //               表示**要获取的信号量**
//                         |
// **信号量的获取        信号量指针       时间参数     RT_WAITING_FOREVER = -1**
rt_err_t rt_sem_take(rt_sem_t sem, rt_int32_t time)    // **线程**通过**这个API**来**获得信号量**所**指示的共享资源**，当**信号量的值**(sem.value)**大于0**的时候，线程将**成功**的**获得信号量**
																											 // 获得信号量之后，这个函数将立即返回RT_EOK，并且将**信号量的值**(sem.value)**减一**
// 当线程调用这个函数获取信号量的时候，如果**信号量的值**(sem.value)**等于0**，说明信号量所指示的**共享资源不可用**
// 申请该信号量的线程会根据**时间参数**(**time**)来进行相应的动作
// 当**时间参数**(**time**)大于**0**的时候，会按照时间来进行等待，等到时间了之后会返回
// 当**时间参数**(**time**)等于**0**的时候，会立即返回
// **时间参数**(**time**)是以**系统**的**滴嗒时钟**为**计数单位**的
// 如果**时间参数**(**time**)为负数，那么表示**这个线程**会**永远的**在这个函数里面**等待获取信号量** (负数一般会用 **RT_WAITING_FOREVER = -1** 来定义)

      • 非阻塞获取信号量（可以在中断中使用）

        // **信号量的尝试获取**
rt_err_t rt_sem_trytake(rt_sem_t sem); // 是一个**时间参数**(**time**)为0的rt_sem_take，不做任何等待，只是看是否可以获取到，如果可以获取到会进行返回RT_EOK，如果获取不到会返回-RT_ETIMEOUT

    • 释放信号量

      • 既可以在线程中去释放，也可以在中断(ISR)中去释放

      • 非阻塞的原子操作**，通过关中断保护临界区**

        // **信号量的释放           信号量指针**
rt_err_t rt_sem_release(rt_sem_t sem); // 调用这个函数，可以将信号量所指示的共享资源的数量(**sem.value**)**加一**

// 如果**有线程被**这个信号量**挂起**了，那么这个时候**挂在这个信号量下面**的这个**线程**就会被**唤醒**

  • 应用示例

    • 代码
    • 运行结果
    • 运行结果分析