RT-Thread 线程同步及通信 -- 信号量、互斥量、事件、邮箱、消息队列

2023-05-16

一 RT-Thread 信号量

二 RT-Thread 互斥量

三 RT-Thread 事件标志组

四 RT-Thread 邮箱

五 RT-Thread 消息队列

一 RT-Thread 信号量

1. 信号量相关函数

创建信号量	/** @param name：信号量名称 * @param value：信号量初始值 * @param flag：信号量标志，可取RT_IPC_FLAG_FIFO或者RT_IPC_FLAG_PRIO * @retval 创建成功返回创建的信号量控制块指针；否则返回RT_NULL / rt_sem_t rt_sem_create* (const char* name,rt_uint32_t value,rt_uint8_t flag);
删除信号量	/** @param sem：rt_sem_create创建处理的信号量对象 * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_sem_delete* (rt_sem_t sem);
初始化静态信号量	/** @param sem：信号量对象的句柄 * @param name：信号量名称 * @param value：信号量初始值 * @param flag：信号量标志，可取RT_IPC_FLAG_FIFO或者RT_IPC_FLAG_PRIO * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_sem_init* (rt_sem_t sem, const char* name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag);
脱离信号量	/** @brief 让信号量对象从内核对象管理器中移除掉 * @param sem：rt_sem_create创建处理的信号量对象 * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_sem_detach* (rt_sem_t sem);
获取信号量	/** @brief 线程通过获取信号量来获得信号量资源实例，当信号量值大于零时，线程将获得信号 * 量，并且相应的信号量值都会减1 * @param sem：信号量对象的句柄 * @param time：指定的等待时间，单位是操作系统时钟节拍 * @retval 成功获得信号量返回RT_EOK；超时依然未获得信号量返回-RT_ETIMEOUT；其他错误返 * 回-RT_ERROR。 / rt_err_t rt_sem_take* (rt_sem_t sem, rt_int32_t time);
无等待获取信号量	/** @brief 这个函数与rt_sem_take(sem, 0) 的作用相同 * @param sem：信号量对象的句柄 * @retval 成功获取信号量返回RT_EOK；否则返回RT_ETIMEOUT。 / rt_err_t rt_sem_trytake*(rt_sem_t sem);
释放信号量	/** @brief 当线程完成资源的访问后，应尽快释放它持有的信号量，使得其他线程能获得该信号量 * @param sem：信号量对象的句柄 * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_sem_release*(rt_sem_t sem);

2. 创建一个静态信号量

/* 信号量控制块 */
static struct rt_semaphore sem;

/* 初始化信号量，初始值是1 */
result = rt_sem_init(&sem, "sem", 1, RT_IPC_FLAG_FIFO);

3. 创建一个动态信号量

/* 指向信号量的指针 */
rt_sem_t sem = RT_NULL;

/* 创建一个信号量，初始值是1 */
sem = rt_sem_create("sem", 1, RT_IPC_FLAG_FIFO);

4. 通过信号量访问共享资源，不推荐，可能会导致优先级翻转

rt_sem_take(sem, RT_WAITING_FOREVER);/* 试图持有一个信号量，如果不成功则一直等待知道成功 */
     *
访问共享资源
     *
rt_sem_release(sem); /* 释放一次信号量 */

5. 使用信号量进行中断与线程同步

void USART1_IRQHandler(void)
{
    接受到串口数据
    rt_sem_release(sem); /* 释放信号量 */
}

void thread0(void* arg)
{
    while(1)
    {
        rt_sem_take(sem); /* 获取信号量 */
        处理串口数据
    }
}

二 RT-Thread 互斥量

1. 互斥量相关函数

创建互斥量	/** * @brief 完成对该互斥量控制块的初始化工作 * @param name：互斥量的名称 * @param flag：互斥量标志，可取RT_IPC_FLAG_FIFO 与 RT_IPC_FLAG_PRIO * @retval 创建成功返回指向互斥量的互斥量句柄；否则返回RT_NULL / rt_mutex_t rt_mutex_create* (const char* name, rt_uint8_t flag);
删除互斥量	/** @param mutex：互斥量对象的句柄 * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_mutex_delete* (rt_mutex_t mutex);
初始化静态互斥量	/** * @param mutex：互斥量对象的句柄 * @param name：互斥量的名称 * @param flag：互斥量标志，可取RT_IPC_FLAG_FIFO 与 RT_IPC_FLAG_PRIO * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_mutex_init* (rt_mutex_t mutex, const char* name, rt_uint8_t flag);
脱离互斥量	/** @brief：脱离互斥量将把互斥量对象从内核对象管理器中删除 * @param mutex：互斥量对象的句柄 * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_mutex_detach* (rt_mutex_t mutex);
获取互斥量	/** @brief：线程通过互斥量申请服务获取互斥量的所有权，如果互斥量已经被当前线程线程控制，则该互斥量的持有计数加1， * @param mutex：互斥量对象的句柄 * @param time：指定等待的时间 * @retval 成功获得互斥量返回RT_EOK；超时返回-RT_ETIMEOUT；其他返回-RT_ERROR / rt_err_t rt_mutex_take* (rt_mutex_t mutex, rt_int32_t time);
释放互斥量	/** @brief：使用该函数接口时，只有已经拥有互斥量控制权的线程才能释放它，每释放一次该互斥量，它的持有计数就减1，当该互斥量的持有计数为零时，它变为可用。 * @param mutex：互斥量对象的句柄 * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_mutex_release*(rt_mutex_t mutex);

2. 互斥量注意事项

需要切记的是互斥量不能在中断服务例程中使用。
可以防止优先级翻转
在获得互斥量之后，应该尽快释放互斥量
持有互斥量的过程中，不得再调用 rt_thread_control()等函数接口更改持有互斥量线程的优先级
互斥量可用于对单个硬件资源进行保护，比如多个线程需要调用串口1发送数据，则可以在调用串口时使用互斥量

3. 创建静态互斥量

/* 互斥量控制块*/
static rt_mutex mutex;

/* 初始化互斥量*/
rt_mutex_create(&mutex, "mutex", RT_IPC_FLAG_FIFO);

4.创建动态互斥量

/* 指向互斥量的指针 */
static rt_mutex_t mutex = RT_NULL;

/* 创建互斥锁 */
mutex = rt_mutex_create("mutex", RT_IPC_FLAG_FIFO);

5. 使用互斥量访问共享资源（例如串口），推荐使用该种方式访问共享资源，而不是信号量的方式。

void usart_send_buf(uint8_t *buf,uint32_t len)
{
    rt_mutex_take(mutex, RT_WAITING_FOREVER); /*  获取互斥量 */

    调用硬件串口资源输出字符
    
    rt_mutex_release(mutex);
}

三 RT-Thread 事件标志组

1. 事件标志组相关函数

创建事件	/** * @brief 对事件控制块进行基本的初始化 * @param name：事件的名称 * @param flag：事件标志，可取RT_IPC_FLAG_FIFO 与 RT_IPC_FLAG_PRIO * @retval 创建成功返回事件对象的句柄；创建失败返回RT_NULL / rt_event_t rt_event_create* (const char* name, rt_uint8_t flag);
删除事件	/** @param event：事件对象的句柄 * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_event_delete* (rt_event_t event);
初始化事件	/** * @param event：事件对象的句柄 * @param name：事件的名称 * @param flag：事件标志，可取RT_IPC_FLAG_FIFO 与 RT_IPC_FLAG_PRIO * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_event_init(rt_event_t event, const char name, rt_uint8_t flag);
脱离事件	/** @brief：脱离事件是将事件对象从内核对象管理器中删除 * @param mutex：事件对象的句柄 * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_event_detach*(rt_event_t event);
接受事件	/ @brief：内核使用32位的无符号整型数来标识事件，它的每一位代表一个事件，因此一个事件对象可同时等待接收32个事件。当用户调用这个接口时，首先根据set参数和接收选项来判断它要接收的事件是否发生*，如果已经发生，则根据参数option上是否设置有RT_EVENT_FLAG_CLEAR来决定是否重置事件的相应标志位 @param event：事件对象的句柄 * @param set：接收线程感兴趣的事件 * @param option：接收选项 * @param timeout：指定超时时间 * @param recved：指向收到的事件 * @retval 正确接收返回RT_EOK，超时返回-RT_TIMEOUT，其他返回-RT_ERROR / rt_err_t rt_event_recv(rt_event_t event, rt_uint32_t set, rt_uint8_t option,rt_int32_t timeout, rt_uint32_t recved);
发送事件	/** @brief：可以发送一个或多个事件 * @param event：事件对象的句柄 * @param set：接收线程感兴趣的事件 * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_event_send*(rt_event_t event, rt_uint32_t set);

2. 创建静态事件

/* 事件控制块 */
static struct rt_event event;
/* 初始化事件对象 */
rt_event_init(&event, "event", RT_IPC_FLAG_FIFO);

3. 创建动态事件

/* 指向事件的地址指针 */
rt_event_t event = RT_NULL;
/* 创建事件 */
event = rt_event_create( "event", RT_IPC_FLAG_FIFO);

4. 用于中断与线程的同步

void USART1_IRQHandler(void)
{
    接受到串口数据
    rt_event_send(event,0x1); /*发送事件 */
}

void thread0(void* arg)
{
    rt_uint32_t recved;
    while(1)
    {
        /*  等待接收事件标志 */
        rt_event_recv(test_event,    /*  事件对象句柄 */
			  0x1,                   /*  接收线程感兴趣的事件 */
			  RT_EVENT_FLAG_AND|RT_EVENT_FLAG_CLEAR,/*  接收选项 */
			  RT_WAITING_FOREVER,    /*  指定超时事件, 一直等 */
			  &recved);              /*  指向接收到的事件 */
        ...
        处理串口数据
    }
}

四 RT-Thread 邮箱

1. 邮箱相关函数

创建邮箱	/** * @brief 创建动态邮箱 * @param name：邮箱的名称 * @param size：邮箱容量 * @param flag：邮箱标志，可取RT_IPC_FLAG_FIFO 与 RT_IPC_FLAG_PRIO * @retval 创建成功返回邮箱对象的句柄；否则返回-RT_NULL / rt_mailbox_t rt_mb_create* (const char* name, rt_size_t size, rt_uint8_t flag);
删除邮箱	/** * @param mutex：邮箱对象的句柄 * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_mb_delete* (rt_mailbox_t mb);
初始化邮箱	/** * @brief 创建静态邮箱 * @param mb：邮箱对象的句柄 * @param name：邮箱的名称 * @param msgpool：缓冲区指针 * @param size：邮箱容量 * @param flag：邮箱标志，可取RT_IPC_FLAG_FIFO 与 RT_IPC_FLAG_PRIO * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_mb_init(rt_mailbox_t mb, const char name, void* msgpool,rt_size_t size, rt_uint8_t flag)
邮箱脱离	/** * @brief：脱离邮箱将把邮箱对象从内核对象管理器中删除 * @param mb：邮箱对象的句柄 * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_mb_detach*(rt_mailbox_t mb);
发送邮件	/** * @brief：发送的邮件可以是32位任意格式的数据，一个整型值或者一个指向缓冲区的指针 * @param mb：邮箱对象的句柄 * @param value：邮件内容 * @retval 发送成功返回RT_EOK；如果邮箱已经满了，返回-RT_EFULL。 / rt_err_t rt_mb_send* (rt_mailbox_t mb, rt_uint32_t value);
等待方式发送邮件	/** * @brief：发送邮件，如果邮箱已满，则等待timeout个系统时间 * @param mb：邮箱对象的句柄 * @param value：邮件内容 * @param timeout：超时时间 * @retval 发送成功返回RT_EOK；如果设置的时间超时依然未发送成功，返回-RT_ETIMEOUT，其他情况返回- RT_ERROR。 / rt_err_t rt_mb_send_wait* (rt_mailbox_t mb, rt_uint32_t value, rt_int32_t timeout);
接受邮件	/** * @param mb：邮箱对象的句柄 * @param value：邮件内容 * @param timeout：超时时间 * @retval 成功收到返回RT_EOK，超时返回-RT_ETIMEOUT，其他返回-RT_ERROR / rt_err_t rt_mb_recv* (rt_mailbox_t mb, rt_uint32_t* value, rt_int32_t timeout);

2. 创建静态邮箱

/* 邮箱控制块 */
static struct rt_mailbox mb;
/* 用于放邮件的内存池 */
static char mb_pool[128];

/* 初始化一个mailbox */
rt_mb_init(&mb,
          "mbt",              /* 名称是mbt */
           &mb_pool[0],       /* 邮箱用到的内存池是mb_pool */
           sizeof(mb_pool)/4, /* 大小是mb_pool/4，因为每封邮件的大小是4字节 */
           RT_IPC_FLAG_FIFO); /* 采用FIFO方式进行线程等待 */

3 创建动态邮箱

/*  定义邮箱控制块 */
static rt_mailbox_t mb = RT_NULL;

/*  创建一个邮箱 */
test_mail = rt_mb_create("test_mail",       /*  邮箱名字 */
                          10,               /*  邮箱大小 */
                          RT_IPC_FLAG_FIFO);/*  信号量模式 FIFO(0x00)*/
if (test_mail != RT_NULL)
	rt_kprintf(" 邮箱创建成功！\n\n");

4. 发送与接收邮件

static char mb_str[] = "I'm a mail!";

void thread0(void* parameter)
{
  while (1)
  {
     /* 发送mb_str1地址到邮箱中 */
     rt_mb_send(&mb, (rt_uint32_t)&mb_str[0]);
  }
}

void thread1(void* parameter)
{
  unsigned char* str;
  while (1)
  {
     /* 从邮箱中收取邮件 */
    if (rt_mb_recv(&mb, (rt_uint32_t*)&str, RT_WAITING_FOREVER)== RT_EOK)
    {
       /* 处理邮箱内容 */
    }
  }
}

五 RT-Thread 消息队列

1. 消息队列相关函数

创建消息队列	/** * @brief 创建动态消息队列 * @param name：消息队列的名称 * @param msg_size：消息队列中一条消息的最大长度 * @param max_msgs：消息队列的最大容量 * @param flag：消息队列标志，可取RT_IPC_FLAG_FIFO 与 RT_IPC_FLAG_PRIO * @retval 成功创建返回消息队列对象的句柄；否则返回-RT_ERROR / rt_mq_t rt_mq_create(const char name, rt_size_t msg_size, rt_size_t max_msgs, rt_uint8_t flag);
删除消息队列	/** * @param mq：消息队列对象的句柄 * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_mq_delete*(rt_mq_t mq);
初始化消息队列	/** * @brief 创建静态消息队列 * @param mq：指向静态消息队列对象的句柄 * @param name：消息队列的名称 * @param msgpool：用于存放消息的缓冲区 * @param msg_size：消息队列中一条消息的最大长度 * @param pool_size：存放消息的缓冲区大小 * @param flag：消息队列标志，可取RT_IPC_FLAG_FIFO 与 RT_IPC_FLAG_PRIO * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_mq_init(rt_mq_t mq, const char name, void *msgpool, rt_size_t msg_size, rt_size_t pool_size,rt_uint8_t flag);
消息队列脱离	/** * @brief：脱离消息队列将使消息队列对象被从内核对象管理器中删除 * @param mq：指向静态消息队列对象的句柄 * @retval RT_EOK / rt_err_t rt_mq_detach*(rt_mq_t mq);
发送消息	/** * @brief：发送的邮件可以是32位任意格式的数据，一个整型值或者一个指向缓冲区的指针 * @param mq：消息队列对象的句柄 * @param buffer：消息内容 * @param size：消息大小 * @retval 发送成功返回RT_EOK；如果邮箱已经满了，返回-RT_EFULL。 / rt_err_t rt_mq_send* (rt_mq_t mq, void* buffer, rt_size_t size);
发送紧急消息	/** * @brief：发送邮件，如果邮箱已满，则等待timeout个系统时间 * @param mq：消息队列对象的句柄 * @param buffer：消息内容 * @param size：消息大小 * @retval 发送成功返回RT_EOK，如果消息队列已满返回-RT_EFULL / rt_err_t rt_mq_urgent(rt_mq_t mq, void buffer, rt_size_t size);
接受消息	/** * @param mq：消息队列对象的句柄 * @param buffer：用于接收消息的数据块 * @param size：消息大小 * @param timeout：指定的超时时间 * @retval 成功收到返回RT_EOK，超时返回-RT_ETIMEOUT，其他返回-RT_ERROR / rt_err_t rt_mq_recv* (rt_mq_t mq, void* buffer, rt_size_t size, rt_int32_t timeout);

2. 创建静态消息队列

/* 消息队列控制块 */
static struct rt_messagequeue mq;
/* 消息队列中用到的放置消息的内存池 */
static char msg_pool[2048];

/* 初始化消息队列 */
rt_mq_init(&mq, "mqt",
           &msg_pool[0],        /* 内存池指向msg_pool */
           128 - sizeof(void*), /* 每个消息的大小是 128 - void* */
           sizeof(msg_pool),    /* 内存池的大小是msg_pool的大小 */
           RT_IPC_FLAG_FIFO);   /* 如果有多个线程等待，按照FIFO的方法分配消息 */

3 创建动态消息队列

/*  定义消息队列控制块 */
 rt_mq_t mq = RT_NULL;
/* 创建一个消息队列 */
test_mq = rt_mq_create("test_mq",/*  消息队列名字 */
                      40, /*  消息的最大长度 */
                      20, /*  消息队列的最大容量 */
                      RT_IPC_FLAG_FIFO);/*  队列模式 FIFO(0x00)*/
if (test_mq != RT_NULL)
    rt_kprintf(" 消息队列创建成功！\n\n");

4 使用消息队列收发数据

void thread0(void* parameter)
{
  char buf[] = "this is message No.x";
  while (1)
  {
    /* 发送消息到消息队列中 */
    result = rt_mq_send(&mq, &buf[0], sizeof(buf));
    if ( result == -RT_EFULL)
    {
       /* 消息队列满 */
       rt_kprintf("message queue full, delay 1s\n");
    }
  }
}

void thread1(void* parameter)
{
  char buf[128];
  while (1)
  {
     /* 从消息队列中接收消息 */
    if (rt_mq_recv(&mq, &buf[0], sizeof(buf), RT_WAITING_FOREVER) == RT_EOK)
    {
        /* 处理消息 */
       rt_kprintf("thread1: recv a msg, the content:%s\n", buf);
    }
  }
}

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