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freeRTOS互斥量（mutex）

news 2025/8/2 17:06:12

前言

一、互斥量概述

二、互斥量函数

1.创建

2.其他函数

三、优先级反转示例

1.概念

2.代码示例

四、优先级继承

1.概念

2.代码示例

五、递归锁

1.死锁的概念

2.自我死锁

3.函数

4.递归锁代码示例

前言

在之前的信号量中，我们想要实现互斥的效果，即独占的享用临界资源，假设厕所是临界资源，怎么独占？自己开门上锁，完事了自己开锁。

但是freeRTOS的信号量并没有实现自己上的锁只能自己开这个功能，要想实现互斥，必须要有个前提条件：

$\bullet$ 没有坏人：别的任务不会"give"信号量（不撬门）

在我之前的文章关于Linux系统的互斥锁中，举得代码例子也是凭空拿了一把锁，这就说明要想通过信号量来实现互斥，需要程序员自己约定。

一、互斥量概述

可以看到，使用信号量确实也可以实现互斥访问，但是不完美。

使用互斥量可以解决这个问题，互斥量的名字取得很好：
$\bullet$ 量：值为0、1
$\bullet$ 互斥：用来实现互斥访问
它的核心在于：谁上锁，就只能由谁开锁。

很奇怪的是，FreeRTOS的互斥锁，并没有在代码上实现这点：
$\bullet$ 即使任务A获得了互斥锁，任务B竟然也可以释放互斥锁。
$\bullet$ 谁上锁、谁释放：只是约定。

互斥锁解决的核心问题其实是优先级反转和优先级继承。

互斥量其实就是一种特殊的二进制信号量，只不过它能解决优先级反转和实现优先级继承。

二、互斥量函数

1.创建

使用互斥量时，先创建、然后去获得、释放它。使用句柄来表示一个互斥量。

创建互斥量的函数有2种：动态分配内存，静态分配内存，函数原型如下：

/* 创建一个互斥量，返回它的句柄。
* 此函数内部会分配互斥量结构体
* 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex( void );/* 创建一个互斥量，返回它的句柄。
* 此函数无需动态分配内存，所以需要先有一个StaticSemaphore_t结构体，并传入它的指针
* 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutexStatic( StaticSemaphore_t *pxMutexBuffer
);

要想使用互斥量，需要在配置文件FreeRTOSConfig.h中定义：

#define configUSE_MUTEXES 1

注意：二级制信号量初始值是0，创建后需要Give一次;互斥量初始值是1，创建后不需要Give一次。

2.其他函数

要注意的是，互斥量不能在ISR中使用。

各类操作函数，比如删除、give/take，跟一般是信号量是一样的。

/*
* xSemaphore: 信号量句柄，你要删除哪个信号量, 互斥量也是一种信号量
*/
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );/* 释放 */
BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );/* 获得 */
BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,TickType_t xTicksToWait
);

三、优先级反转示例

1.概念

假设任务A、B都想使用串口，A优先级比较低：
         $\bullet$ 任务A获得了串口的互斥量
         $\bullet$ 任务B也想使用串口，它将会阻塞、等待A释放互斥量
         $\bullet$ 高优先级的任务，被低优先级的任务延迟，这被称为"优先级反转"(priority inversion)

互斥量可以通过"优先级继承"，可以很大程度解决"优先级反转"的问题，这也是FreeRTOS中互斥量和二进制信号量的差别。

2.代码示例

main函数创建了3个任务：LPTask/MPTask/HPTask(低/中/高优先级任务)，代码如下：

/* 互斥量/二进制信号量句柄 */
SemaphoreHandle_t xLock;
int main( void )
{prvSetupHardware();/* 创建二进制信号量！！！！！！ */xLock = xSemaphoreCreateBinary();if( xLock != NULL ){/* 创建3个任务: LP,MP,HP(低/中/高优先级任务)*/xTaskCreate( vLPTask, "LPTask", 1000, NULL, 1, NULL );xTaskCreate( vMPTask, "MPTask", 1000, NULL, 2, NULL );xTaskCreate( vHPTask, "HPTask", 1000, NULL, 3, NULL );/* 启动调度器 */vTaskStartScheduler();}else{/* 无法创建互斥量/二进制信号量 */}/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */return 0;
}

注意：创建的是二进制信号量，用于演示优先级反转！！！

LPTask/MPTask/HPTask三个任务的代码和运行过程如下图所示：

$\bullet$ A：HPTask优先级最高，它最先运行。在这里故意打印，这样才可以观察到flagHPTaskRun的脉冲。
$\bullet$ HP Delay：HPTask阻塞
$\bullet$ B：MPTask开始运行。在这里故意打印，这样才可以观察到flagMPTaskRun的脉冲。
$\bullet$ MP Delay：MPTask阻塞
$\bullet$ C：LPTask开始运行，获得二进制信号量，然后故意打印很多字符
$\bullet$ D：HP Delay时间到，HPTask恢复运行，它无法获得二进制信号量，一直阻塞等待
$\bullet$ E：MP Delay时间到，MPTask恢复运行，它比LPTask优先级高，一直运行。导致LPTask无法运行，自然无法释放二进制信号量，于是HPTask无法运行。

总结：
$\bullet$ LPTask先持有二进制信号量
$\bullet$ 但是MPTask抢占LPTask，LPTask一直无法运行也就无法释放信号量
$\bullet$ 导致HPTask任务无法运行
$\bullet$ 优先级最高的HPTask竟然一直无法运行！

程序运行的时序图如下：

四、优先级继承

1.概念

上一个代码的问题在于，LPTask低优先级任务获得了锁，但是它优先级太低而无法运行。

如果能提升LPTask任务的优先级，让它能尽快运行、释放锁，"优先级反转"的问题不就解决了吗？

优先级继承：
         $\bullet$ 假设持有互斥锁的是任务A，如果更高优先级的任务B也尝试获得这个锁
         $\bullet$ 任务B说：你既然持有宝剑，又不给我，那就继承我的愿望吧
         $\bullet$ 于是任务A就继承了任务B的优先级
         $\bullet$ 这就叫：优先级继承
         $\bullet$ 等任务A释放互斥锁时，它就恢复为原来的优先级
         $\bullet$ 互斥锁内部就实现了优先级的提升、恢复

2.代码示例

基于上一个代码，我们只需要做一个简单的修改

int main( void )
{prvSetupHardware();/* 创建互斥量 *///xLock = xSemaphoreCreateBinary( );xLock = xSemaphoreCreateMutex();

创建一个互斥量即可，运行时序图如下图所示：

$\bullet$ A：HPTask执行 xSemaphoreTake(xLock, portMAX_DELAY); ，它的优先级被LPTask继承
$\bullet$ B：LPTask抢占MPTask，运行
$\bullet$ C：LPTask执行 xSemaphoreGive(xLock); ，它的优先级恢复为原来值
$\bullet$ D：HPTask得到互斥锁，开始运行
$\bullet$ 互斥锁的"优先级继承"，可以减小"优先级反转"的影响

五、递归锁

1.死锁的概念

在我之前的博客讲互斥锁的时候也讲过什么情况下会造成死锁，例如，线程 A 持有锁 L1 并请求锁 L2，而线程 B 持有锁 L2 并请求锁 L1，这种情况可能导致死锁。所以我们编写程序时要注意，不要写成死锁的情况，等以后写一些大型的代码，需要同时操控几个互斥量时，可能会犯这种错误。

假设有2个互斥量M1、M2，2个任务A、B：
         $\bullet$ A获得了互斥量M1
         $\bullet$ B获得了互斥量M2
         $\bullet$ A还要获得互斥量M2才能运行，结果A阻塞
         $\bullet$ B还要获得互斥量M1才能运行，结果B阻塞
         $\bullet$ A、B都阻塞，再无法释放它们持有的互斥量
         $\bullet$ 死锁发生！

2.自我死锁

假设这样的场景：
         $\bullet$ 任务A获得了互斥锁M
         $\bullet$ 它调用一个库函数
         $\bullet$ 库函数要去获取同一个互斥锁M，于是它阻塞：任务A休眠，等待任务A来释放互斥锁！
         $\bullet$ 死锁发生！
一个任务申请锁后调用其他函数时申请同一个锁，导致要释放锁的任务阻塞，从而无法释放锁。

3.函数

怎么解决这类问题？可以使用递归锁(Recursive Mutexes)，它的特性如下：
$\bullet$ 任务A获得递归锁M后，它还可以多次去获得这个锁
$\bullet$ "take"了N次，要"give"N次，这个锁才会被释放

递归锁的函数和一般互斥量的函数名不一样，参数类型一样，列表如下：

函数原型如下：

/* 创建一个递归锁，返回它的句柄。
* 此函数内部会分配互斥量结构体
* 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
*/
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateRecursiveMutex( void );/* 释放 */
BaseType_t xSemaphoreGiveRecursive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );/* 获得 */
BaseType_t xSemaphoreTakeRecursive(SemaphoreHandle_t xSemaphore,TickType_t xTicksToWait
);

注意：要使用递归锁，需要定义配置项configUSE_RECURSIVE_MUTEXES！！！

4.递归锁代码示例

递归锁实现了：谁上锁就由谁解锁。

main函数里创建了2个任务
$\bullet$ 任务1：高优先级，一开始就获得递归锁，然后故意等待很长时间，让任务2运行
$\bullet$ 任务2：低优先级，看看能否操作别人持有的锁
main函数代码如下：

/* 递归锁句柄 */
SemaphoreHandle_t xMutex;
int main( void )
{prvSetupHardware();/* 创建递归锁 */xMutex = xSemaphoreCreateRecursiveMutex( );if( xMutex != NULL ){/* 创建2个任务: 一个上锁, 另一个自己监守自盗(看看能否开别人的锁自己用)*/xTaskCreate( vTakeTask, "Task1", 1000, NULL, 2, NULL );xTaskCreate( vGiveAndTakeTask, "Task2", 1000, NULL, 1, NULL );/* 启动调度器 */vTaskStartScheduler();}else{/* 无法创建递归锁 */}/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */return 0;
}

两个任务经过精细设计，代码和运行流程如下图所示：
         $\bullet$ A：任务1优先级最高，先运行，获得递归锁
         $\bullet$ B：任务1阻塞，让任务2得以运行
         $\bullet$ C：任务2运行，看看能否获得别人持有的递归锁：不能
         $\bullet$ D：任务2故意执行"give"操作，看看能否释放别人持有的递归锁：不能
         $\bullet$ E：任务2等待递归锁
         $\bullet$ F：任务1阻塞时间到后继续运行，使用循环多次获得、释放递归锁
         $\bullet$ 递归锁在代码上实现了：谁持有递归锁，必须由谁释放。