四、freeRTOS_同步互斥与通信概述

2023-05-16

1. 同步与互斥的概念

2. 同步的例子：有缺陷

3. 互斥的例子：有缺陷

4. 通信的例子：有缺陷

5. FreeRTOS的解决方案

对应程序：12_freertos_example_sync_exclusion，基于05_freertos_example_createtask修改。

1. 同步与互斥的概念

一句话理解同步与互斥：我等你用完厕所，我再用厕所。

等，就是同步，让其步调一致。

厕所，就是互斥，同一时间只能让一个人使用。对于某些资源，同一时间只能有一个任务使用，他们必须独占的使用它，叫做互斥。

2. 同步的例子：有缺陷

任务2等待任务1的计算结果 flagCalcEnd ，自己不做什么事情，还在和任务1竞争cpu的资源，有点不应该。

虽然说这种同步资源的方式可取，但是太浪费cpu的资源了，大概消耗4s，运行结果如图1。

如果屏蔽掉任务2的创建，只用了2s ，运行结果如图2。

/*-----------------------------------------------------------*/

static int sum = 0;
static volatile int flagCalcEnd = 0;

void Task1Function(void * param)
{
	volatile int i = 0;
	while (1)
	{
		for (i = 0; i < 10000000; i++)
			sum++;
		//printf("1");
		flagCalcEnd = 1;
		vTaskDelete(NULL);
	}
}

void Task2Function(void * param)
{
	while (1)
	{
		if (flagCalcEnd)
			printf("sum = %d\r\n", sum);
	}
}

/*-----------------------------------------------------------*/

int main( void )
{
	TaskHandle_t xHandleTask1;
		
#ifdef DEBUG
  debug();
#endif

	prvSetupHardware();

	printf("Hello, world!\r\n");

	xTaskCreate(Task1Function, "Task1", 100, NULL, 1, &xHandleTask1);
	//xTaskCreate(Task2Function, "Task2", 100, NULL, 1, NULL);

	/* Start the scheduler. */
	vTaskStartScheduler();

	/* Will only get here if there was not enough heap space to create the
	idle task. */
	return 0;
}

图1：运行结果：累计1000万次用了4s

图2：如果屏蔽掉任务2的创建，只用了2s

如果让任务2运行，在它进入flagCalcEnd状态时，让它进入block状态，不让它去抢占cpu资源，这个代码的运行效率可以大幅提高。

上面用循环检测变量，来实现同步的方法，是有缺陷的，效率不高，太消耗cpu资源了。

3. 互斥的例子：有缺陷

使用串口互斥的打印信息。

在任务通用打印函数中TaskGenericFunction()，使用 flagUARTused 标志位，如果没有人使用窗口打印数据的时候，立马把 flagUARTused 标志位置为1，打印完信息后在置为0，在延时1ms，目的是让任务4可以完整打印出信息。

extern void vSetupTimerTest( void );

/*-----------------------------------------------------------*/

static int sum = 0;
static volatile int flagCalcEnd = 0;
static volatile int flagUARTused = 0;

void Task1Function(void * param)
{
	volatile int i = 0;
	while (1)
	{
		for (i = 0; i < 10000000; i++)
			sum++;
		//printf("1");
		flagCalcEnd = 1;
		vTaskDelete(NULL);
	}
}

void Task2Function(void * param)
{
	while (1)
	{
		if (flagCalcEnd)
			printf("sum = %d\r\n", sum);
	}
}

void TaskGenericFunction(void * param)
{
	while (1)
	{
		if (!flagUARTused)
		{
			flagUARTused = 1;
			printf("%s\r\n", (char *)param);
			flagUARTused = 0;
			vTaskDelay(1);
		}
	}
}


/*-----------------------------------------------------------*/

int main( void )
{
	TaskHandle_t xHandleTask1;
		
#ifdef DEBUG
  debug();
#endif

	prvSetupHardware();

	printf("Hello, world!\r\n");

	xTaskCreate(Task1Function, "Task1", 100, NULL, 1, &xHandleTask1);
	//xTaskCreate(Task2Function, "Task2", 100, NULL, 1, NULL);

	xTaskCreate(TaskGenericFunction, "Task3", 100, "Task 3 is running", 1, NULL);
	xTaskCreate(TaskGenericFunction, "Task4", 100, "Task 4 is running", 1, NULL);

	/* Start the scheduler. */
	vTaskStartScheduler();

	/* Will only get here if there was not enough heap space to create the
	idle task. */
	return 0;
}

运行结果：

上述代码在运行过程中看似没有问题，但是在执行好几天，执行好几千万次的时候，总会碰到下面的情况，就会概率性的出现问题，假设任务3、任务4都想使用这个串口，假如都执行到1处切换出去了，在这个时刻都没有把flagUARTused设置为1，任务4继续往下走，打印，这时候切换出去了，任务3继续往下走，它也可以打印，导致两个打印掺杂在一起。

所以在1时刻发生切换（调度）的话，就没有办法实现互斥的打印信息。

这段代码的问题是，判断和设置中间的∆t太长了，我们发现上述的几个列子，单纯使用全局变量来实现互斥，好像不大可靠。

4. 通信的例子：有缺陷

在freeRTOS中，可以使用全局变量来实现通信，比如，前面代码中全局变量static int sum = 0;

在任务1中实现计数之后，在任务2中就可以使用，这也是通过全局变量来实现通信，在freeRTOS多任务实现通信并不是很复杂，复杂的是如何实现同步和互斥，后续继续学习freeRTOS同步和互斥的解决方案。

5. FreeRTOS的解决方案

正确性
效率：等待者要进入阻塞状态
多种解决方案

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