利用STM32CubeMX和Keil模拟器，3天入门FreeRTOS（5.2） —— 互斥量

前言

（1）FreeRTOS是我一天过完的，由此回忆并且记录一下。个人认为，如果只是入门，利用STM32CubeMX是一个非常好的选择。学习完本系列课程之后，再去学习网上的一些其他课程也许会简单很多。
（2）本系列课程是使用的keil软件仿真平台，所以对于没有开发板的同学也可也进行学习。
（3）叠甲，再次强调，本系列课程仅仅用于入门。学习完之后建议还要再去寻找其他课程加深理解。
（4）本系列博客对应代码仓库：gitee仓库

前期准备

（1）将5.0章节的工程复制下来

在这里插入图片描述

实战

使用STM32CubeMX创建互斥量

（1）按照如下方法创建互斥量

在这里插入图片描述

使用keil端创建互斥量

（1）添加互斥量的句柄（按Ctrl+F，搜索CODE BEGIN Variables补充如下代码）

/* USER CODE BEGIN Variables */
static SemaphoreHandle_t KeilMutexHandle;      //互斥量

（2）创建互斥量（按Ctrl+F，搜索RTOS_MUTEX 补充如下代码）

  /* USER CODE BEGIN RTOS_MUTEX */
  /* add mutexes, ... */
	KeilMutexHandle = xSemaphoreCreateMutex();
  /* USER CODE END RTOS_MUTEX */

应用代码

（1）原来只有两个任务，现在再增加一个任务用于实验。（按Ctrl+F，搜索CODE BEGIN Variables补充如下代码）

  /* USER CODE BEGIN RTOS_THREADS */
  /* add threads, ... */
	xReturned = xTaskCreate(StartKeilTask_M,"KeilTask_M", 128, "StartKeilTask_M\r\n", osPriorityLow2, &keilTaskHandle);
	if(xReturned != pdPASS)
	{
		printf("KeilTask_M creation failed\r\n");
	}
	xReturned = xTaskCreate(StartKeilTask_H,"KeilTask_H", 128, "StartKeilTask_H\r\n", osPriorityLow3, NULL);
	if(xReturned != pdPASS)
	{
		printf("KeilTask_H creation failed\r\n");
	}
  /* USER CODE END RTOS_THREADS */

（2）补充如下的应用程序。（按Ctrl+F，搜索Header_StartCubemxTask补充如下代码）

/* USER CODE END Header_StartCubemxTask */
#define Test_Mutex       1 //如果为1测试互斥量，否则是测试二进制信号量
#define Test_MutexLock   0 //如果为1测试互斥量的谁上锁谁解锁，进行这个测试之前，需要先将Test_Mutex置1
void StartCubemxTask(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartCubemxTask */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
#if Test_Mutex
		xSemaphoreTake(KeilMutexHandle, portMAX_DELAY);
#else
		xSemaphoreTake(KeilBinarySemHandle, portMAX_DELAY);
#endif /* Test_Mutex */
		// 这里是刻意采用阻塞延时，目的是增加低优先级任务执行时间
		HAL_Delay(10);
		Task_H = 0;
		Task_M = 0;
		Task_L = 1;
#if Test_MutexLock
		while(1);
#endif /* Test_MutexLock */		
#if Test_Mutex
		xSemaphoreGive(KeilMutexHandle);
#else
		xSemaphoreGive(KeilBinarySemHandle);
#endif /* Test_Mutex */		
  }
  /* USER CODE END StartCubemxTask */
}

/* Private application code --------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Application */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	unsigned char temp[1]={ch};
	HAL_UART_Transmit(&huart1,temp,1,0xffff);
	return ch;
}
void StartKeilTask_M(void *argument)
{
	vTaskDelay(50/portTICK_PERIOD_MS);	
	BaseType_t xStatus;	
	while(1)
	{		
#if Test_MutexLock
		// 获取互斥量，立即返回
		xStatus = xSemaphoreTake(KeilMutexHandle, 0);
		printf("Task_M\r\n");
		if(xStatus == pdFALSE)//获取互斥量失败,自己开锁
		{
			printf("xSemaphoreGive before\r\n");
			xSemaphoreGive(KeilMutexHandle);
			printf("xSemaphoreGive after\r\n");
		}
		// 获取互斥量
		xSemaphoreTake(KeilMutexHandle, portMAX_DELAY);
#endif /* Test_MutexLock */			
		Task_H = 0;
		Task_M = 1;
		Task_L = 0;

	}
}
void StartKeilTask_H(void *argument)
{
	vTaskDelay(100/portTICK_PERIOD_MS);		
	while(1)
	{
#if Test_Mutex
		xSemaphoreTake(KeilMutexHandle, portMAX_DELAY);
#else
		xSemaphoreTake(KeilBinarySemHandle, portMAX_DELAY);
#endif /* Test_Mutex */
		Task_H = 1;
		Task_M = 0;
		Task_L = 0;
#if Test_Mutex
		xSemaphoreGive(KeilMutexHandle);
#else
		xSemaphoreGive(KeilBinarySemHandle);
#endif /* Test_Mutex */		
	}

}
/* USER CODE END Application */

仿真结果

（1）将Test_Mutex置0，Test_MutexLock置0。结果如下

在这里插入图片描述

（2）将Test_Mutex置1，Test_MutexLock置0。结果如下

在这里插入图片描述

（3）将Test_Mutex置1，Test_MutexLock置1。结果如下

在这里插入图片描述

理论

为什么需要互斥量

（1）互斥量规定了谁上锁谁解锁。这个可以理解为你上厕所，如果厕所里面没有人，那么你是可以直接打开的，然后在厕所的内侧锁门。当你在上厕所的过程中，还有一个人要来上厕所，将无法打开门。需要等你上完厕所，你从厕所里面解锁出来，其他人才能重新使用厕所。
（2）而二进制信号量不同，他无法保证谁上锁谁解锁。例如你在上厕所，突然保洁阿姨来了。她直接从厕所外面开门，而你还在上厕所。这无疑是非常尴尬的。二进制信号量就是将厕所门的锁放在了外面而不是里面。
（3）互斥量本意是为了保证谁上锁谁解锁，在FreeRTOS和Linux中都没有解决一般的互斥锁谁上锁谁解锁的问题，因此只有程序员自己来实现。但是如果是RT-Thread就能够解决了这个问题。
注意：上面这一部分是韦东山老师原话。但是我实测之后发现，FreeRTOS的互斥量似乎实现了谁上锁谁解锁。个人猜测是因为老版本的FreeRTOS没有实现，而我现在使用的是新版本的FreeRTOS，因此存在差异。
（4）上面这一堆话，各位看了肯定感觉自相矛盾了，你互斥量要实现谁上锁谁解锁，但是又没有实现，这不脱了裤子放屁麻。互斥量岂不是就是一个累赘？显然不是，互斥量能够解决优先级反转问题，而信号量不行。
（5）在上面的实操案例中，我们将Test_Mutex置0，先测试二值信号量处理三个任务。
<1>按照常理来说，优先级高的任务如果没有主动释放CPU，那么低优先级任务将永远无法被执行。因此任务执行流程如下

  • 首先是Task_L处于高电平，其他两个为低电平。
  • 50ms之后，中优先级任务响应，Task_M为高电平。
  • 100ms之后，Task_H将会一直处于高电平，其他两个为低电平。

<2>但是测试结果会发现会发现，首先是Task_L处于高电平，之后Task_M一直处于高电平。Task_H从始至终为低电平。这是明显发生了优先级反转的问题，中等优先级可以执行任务，但是高优先级反而执行不了。
<3>这是为什么呢？原因很简单，首先低优先级任务执行，50ms之后，中优先级任务被唤醒，因此会打断低优先级的任务。低优先级任务被打断了，但是信号量依旧在低优先级手中，那么就会导致100ms之后，高优先级任务响应，高优先级想去获取信号量获取失败。那么高优先级任务就会进入阻塞态。导致最终中优先级任务一直占领CPU资源。

在这里插入图片描述

（6）在上面的实操案例中，我们将Test_Mutex置1，此时测试一下互斥量，会发现电平变化是预期的那样了。因此，我们可以看出FreeRTOS的互斥量虽然没有实现自己谁上锁谁解锁的功能，但是很好的解决了优先级翻转的问题。
（7）现在我们知道了互斥量能够解决上述的优先级翻转的问题，那么如何理解互斥量是如何处理这种问题的呢？原因很简单，100ms之后，高优先级任务想要获取互斥量，但是会发现互斥量现在由一个低优先级的任务持有。那么高优先级任务就会将自己的权限借给低优先级任务，让低优先级任务快点执行完任务，然后释放互斥量。当低优先级任务释放互斥量的瞬间，高优先级任务获取互斥量，开始占领CPU资源。

在这里插入图片描述

互斥量和二进制信号量的异同

（1）前面我们说了，互斥量其实就一个特殊的二进制信号量。那么我们能否总结一下他们之间的异同点呢？
<1>不同点：

  • 互斥量能够进行优先级继承，解决优先级翻转的问题。而二进制信号量存在优先级翻转问题。
  • 二进制信号量创建的初始值是0，因此创建完成之后还需要Give一次。而互斥量创建的初始值是1，不需要再进行Give。
  • 二进制信号量可以由其他任务进行释放。而互斥量必须是谁上锁谁解锁。

<2>相同点：

  • 互斥量和二进制信号量的Give/Take函数完全一样。

如何理解谁上锁谁解锁

（1）前面我们说了，互斥量要实现谁上锁谁解锁，但是也说了FreeRTOS没有实现谁上锁谁解锁的功能。那么有没有什么办法验证一下这个讲法呢？
（2）方法很简单，玩一手监守自盗。StartCubemxTask任务获取到互斥量之后，就加一个死循环，不释放互斥量，主打一个占着茅坑不拉。然后StartKeilTask_M任务尝试获取信号量，不管能否获取到互斥量，都立刻返回。如果发现获取互斥量失败，就自己释放互斥量，然后再获取。
（3）如果是看的韦东山老师的教学视频，并且是使用的他的FreeRTOS版本，会发现程序能够往下执行，Task_M将会变为1。

在这里插入图片描述

（4）但是当前我使用的FreeRTOS版本，测试会发现程序最终会卡死在xSemaphoreGive(KeilMutexHandle);中。调试后发现，我当前使用的FreeRTOS存在如下判断语句，永远判断互斥量是谁上锁，因此只有谁能够进行解锁。

在这里插入图片描述

关于中断函数使用互斥量问题

（1）在FreeRTOS的官方文档中存在这么一句话：中断服务例程中， 不能使用互斥锁。
（2）但是在韦东山老师的文档里面还是看到了关于中断服务程序中，对互斥量的操作介绍。这个是有问题的，需要注意！
（3）在FreeRTOS中，通常不建议在中断服务函数（ISR）中直接使用互斥量。这是因为中断服务函数需要尽可能地快速执行，而互斥量涉及到任务切换和内核调度，可能导致中断响应时间变长，不符合实时系统的要求。

API函数介绍

（1）互斥量和信号量只有创建的时候有区别，获取、释放、删除等操作都是使用的相同的函数。
（2）这也一定程度上说明了，互斥量其实就是一个特殊的二进制信号量。

创建

（1）互斥量的创建分为静态创建和动态创建，一般推荐动态创建互斥量。

/**
 * @brief  动态创建一个互斥量，返回它的句柄
 *
 * @param  无
 *
 * @return  如果已成功创建互斥量，则将返回该互斥量的句柄，如果因为保留互斥量所需的RAM 无法分配而无法创建互斥量，则会返回 NULL。
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex( void );

（2）下面是静态创建互斥量的函数。

/**
 * @brief  静态创建一个互斥量，返回它的句柄
 *
 * @param  指向StaticSemaphore_t类型的变量， 该变量将用于保存互斥锁型信号量的状态
 *
 * @return  如果已成功创建互斥锁类型信号量，则返回创建的 互斥锁的句柄。 如果 因为 pxMutexBuffer 是 NULL 而未创建互斥锁，那么返回 NULL。
 */
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutexStatic(StaticSemaphore_t *pxMutexBuffer );

/* --- 使用方法 --- */
SemaphoreHandle_t xSemaphore = NULL;
StaticSemaphore_t xMutexBuffer;
void vATask( void * pvParameters )
 {
    /* 创建一个不使用动态内存的互斥信号量分配。
       互斥量的数据结构将被保存到xMutexBuffer变量。 
    */
    xSemaphore = xSemaphoreCreateMutexStatic( &xMutexBuffer );

    /* pxMutexBuffer不是NULL，所以句柄不应该是NULL。*/
    configASSERT( xSemaphore );

    /* 任务代码的其余部分放在这里 */
 }

参考

（1）FreeRTOS官方手册：信号量/互斥锁
（2）C站：韦东山freeRTOS系列教程之【第七章】互斥量(mutex)

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