十五、信号量

1、概述

(1)前面介绍的队列(queue)可以用于传输数据：在任务之间、任务和中断之间。

(2)有些时候我们只需要传递状态，并不需要传递具体的信息，比如：

我的事做完了，通知一下你。
卖包子了、卖包子了，做好了1个包子！做好了2个包子！做好了3个包子！
这个停车位我占了，你们只能等着。

(3)以上情况可以使用信号量(semaphore)，它更节省内存。

(4)主要涉及内容

怎么创建、删除信号量？
怎么发送、获取信号量？
什么是计数型信号量？什么是二进制信号量？

2、信号量的特性

2.1、信号量的常规操作

(1)什么是信号量？信号量这个名字很恰当：

信号：起通知的作用。
量：可以用来表示资源的数量。(当“量”没有限制时，它就是"计数型信号量"(Counting Semaphores)，当"量"只有0、1两个取值时，它就是"二进制信号量"(Binary Semaphores)。)
支持的动作："give"给出资源，计数值加1；"take"获取资源，计数值减1。

(2)计数型信号的典型场景：

计数：事件产生时"give"信号量，让计数值加1；处理事件时要先"take"信号量，就是获取信号量，让计数值减1。(give：给；take：取)
资源管理：要想访问资源需要先"take"信号量，让计数值减1；用完资源后"give"信号量，让计数值加1。

(3)信号量的"give"、"take"双方并不需要相同，可以用于生产者-消费者场合：

生产者为任务A、B，消费者为任务C、D。
一开始信号量的计数值为0，如果任务C、D想获得信号量，会有两种结果：
- 阻塞：买不到东西咱就等等吧，可以定个闹钟(超时时间)
- 即刻返回失败：不等
任务A、B可以生产资源，就是让信号量的计数值增加1，并且把等待这个资源的顾客唤醒。
唤醒谁？谁优先级高就唤醒谁，如果大家优先级一样就唤醒等待时间最长的人。

(4)计数型信号量的取值范围是0~最大值。

信号量用来表示资源数量，不能是负值。
创建信号量时就指定的最大值。

(5)二进制信号量跟计数型的唯一差别，就是计数值的最大值被限定为1。

2.2、信号量跟队列的对比

差异列表如下:

队列	信号量
可以容纳多个数据，创建队列时有两部分内存：队列结构体、存储数据的空间	只有计数值，无法容纳其他数据。创建信号量时，只需要分配信号量结构体
生产者：没有空间存入数据时可以阻塞	生产者：永远不阻塞，计数值已经达到最大时返回失败
消费者：没有数据时可以阻塞	消费者：没有资源时可以阻塞

2.3、两种信号量的对比

(1)信号量的计数值都有限制：限定了最大值。如果最大值被限定为1，那么它就是二进制信号量；如果最大值不是1，它就是计数型信号量。

(2)差异列表如下：

二进制信号量	计数型信号量
被创建时初始值为0	被创建时初始值可以设定
其他操作是一样的	其他操作是一样的

3、信号量函数

(1)使用信号量时，先创建、然后去添加资源、获取资源。使用句柄来表示一个信号量。

3.1、创建

(1)使用信号量之前，要先创建，得到一个句柄；使用信号量时，要使用句柄来表明使用哪个信号量。

(2)对于二进制信号量、计数型信号量，它们的创建函数不一样：

	二进制信号量	计数型信号量
动态创建	xSemaphoreCreateBinary 计数值初始值为0	xSemaphoreCreateCounting
	vSemaphoreCreateBinary(过时了) 计数值初始值为1
静态创建	xSemaphoreCreateBinaryStatic	xSemaphoreCreateCountingStatic

(3)创建二进制信号量的函数原型如下：

/* 创建一个二进制信号量，返回它的句柄。
 * 此函数内部会分配信号量结构体
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void );


/* 创建一个二进制信号量，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 xSemaphoreCreateBinaryStatic(StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer);

(4)创建计数型信号量的函数原型如下：

/* 创建一个计数型信号量，返回它的句柄。
 * 此函数内部会分配信号量结构体
 * uxMaxCount: 最大计数值
 * uxInitialCount: 初始计数值
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting( UBaseType_t uxMaxCount, 
                                            UBaseType_t uxInitialCount );

/* 创建一个计数型信号量，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
 * uxMaxCount: 最大计数值
 * uxInitialCount: 初始计数值
 * pxSemaphoreBuffer: StaticSemaphore_t结构体指针
 * 返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic( 
                                     UBaseType_t uxMaxCount,
                                     UBaseType_t uxInitialCount,
                                     StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer );

3.2、删除

(1)对于动态创建的信号量，不再需要它们时，可以删除它们以回收内存。

(2)vSemaphoreDelete可以用来删除二进制信号量、计数型信号量，函数原型如下：

/*
 * xSemaphore: 信号量句柄，你要删除哪个信号量
 */
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

3.3、give/take

(1)二进制信号量、计数型信号量的give、take操作函数是一样的。这些函数也分为2个版本：给任务使用，给ISR使用。列表如下：

	在任务中使用	在ISR中使用
give	xSemaphoreGive	xSemaphoreGiveFromISR
take	xSemaphoreTake	xSemaphoreTakeFromISR

(2)xSemaphoreGive函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );

(3)xSemaphoreGive函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，释放哪个信号量
返回值	pdTRUE表示成功, 如果二进制信号量的计数值已经是1，再次调用此函数则返回失败；如果计数型信号量的计数值已经是最大值，再次调用此函数则返回失败

(4)xSemaphoreGiveFromISR的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(
        SemaphoreHandle_t xSemaphore,
        BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);

(5)xSemaphoreGiveFromISR函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，释放哪个信号量
pxHigherPriorityTaskWoken	如果释放信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态，则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
返回值	pdTRUE表示成功, 如果二进制信号量的计数值已经是1，再次调用此函数则返回失败；如果计数型信号量的计数值已经是最大值，再次调用此函数则返回失败

(6)xSemaphoreTake的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTake(
            SemaphoreHandle_t xSemaphore,
            TickType_t xTicksToWait
);

(7)xSemaphoreTake函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，获取哪个信号量
xTicksToWait	如果无法马上获得信号量，阻塞一会： 0：不阻塞，马上返回 portMAX_DELAY: 一直阻塞直到成功其他值: 阻塞的Tick个数，可以使用 pdMS_TO_TICKS() 来指定阻塞时间为若干 ms
返回值	pdTRUE表示成功

(8)xSemaphoreTakeFromISR的函数原型如下：

BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(
            SemaphoreHandle_t xSemaphore,
            BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);

(9)xSemaphoreTakeFromISR函数的参数与返回值列表如下：

参数	说明
xSemaphore	信号量句柄，获取哪个信号量
pxHigherPriorityTaskWoken	如果获取信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态，则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
返回值	pdTRUE表示成功