信号量的作用是什么？

• 信号量的作用
  
• 优先级翻转现象
  
• uCOS中的特殊信号量——互斥信号量
  
  

本文作为一个学习uCOS的经验分享，希望能给初学小白们一个参考。以例程和运行效果来说明，对一些概念性的东西这里不做过多解释，网上相关文章多如牛毛。本文中的实验需要一些uCOS相关的前置知识，比如OS初始化，任务创建等。

测试前准备：


1、串口一个，当做可被抢占的资源。


2、准备好三个用户任务，设置优先级为高、中、低（具体值自己设置，比如5、10、15），按照优先级命名函数。


3、创建一个信号量。


创建信号量的代码：


OS_EVENT *testsem;

testsem = OSSemCreate(1);
任务代码分别为：


void TaskHigh(void *p_arg)
{
    u8 err;
   
    while(1)
    {
        OSSemPend(testsem, 0, &err); //申请（等待）信号量

        printf("%c",'T');delay_ms(10);printf("%c",'a');delay_ms(10);
        printf("%c",'s');delay_ms(10);printf("%c",'k');delay_ms(10);
        printf("%c",'H');delay_ms(10);printf("%c",'i');delay_ms(10);
        printf("%c",'g');delay_ms(10);printf("%c",'h');delay_ms(10);
        printf("%c",' ');delay_ms(10);printf("%c",'g');delay_ms(10);
        printf("%c",'e');delay_ms(10);printf("%c",'t');delay_ms(10);
        printf("%c",' ');delay_ms(10);printf("%c",'t');delay_ms(10);
        printf("%c",'h');delay_ms(10);printf("%c",'e');delay_ms(10);
        printf("%c",' ');delay_ms(10);printf("%c",'c');delay_ms(10);
        printf("%c",'o');delay_ms(10);
        printf("%c",'m');printf("%c",'r');printf("%c",'n');
        
        OSSemPost(testsem);
        OSTimeDly(1);
    }
}

void TaskMedium(void *pdata)
{
    while(1)
    {
        printf("_rn");

        OSTimeDly(10);
    }
}
void TaskLow(void *p_arg)
{
    u8 err;
   
    while(1)
    {
        OSSemPend(testsem, 0, &err); //申请（等待）信号量，不设置超时。


        printf("%c",'T');delay_ms(10);printf("%c",'a');delay_ms(10);
        printf("%c",'s');delay_ms(10);printf("%c",'k');delay_ms(10);
        printf("%c",'L');delay_ms(10);printf("%c",'o');delay_ms(10);
        printf("%c",'w');delay_ms(10);printf("%c",' ');delay_ms(10);
        printf("%c",'g');delay_ms(10);printf("%c",'e');delay_ms(10);
        printf("%c",'t');delay_ms(10);printf("%c",' ');delay_ms(10);
        printf("%c",'t');delay_ms(10);printf("%c",'h');delay_ms(10);
        printf("%c",'e');delay_ms(10);printf("%c",' ');delay_ms(10);
        printf("%c",'c');delay_ms(10);printf("%c",'o');delay_ms(10);
        printf("%c",'m');printf("%c",'r');printf("%c",'n');
               
        OSSemPost(testsem); //释放信号量
        OSTimeDly(1);
    }
}
说明一下这么设计的意图，为了更好观察相关的现象，选择串口作为公共资源比设置一个变量数组更加直观，被抢占后能直接打印当前任务的字符串。代码中使用了阻塞延时是为了延迟任务的执行速度，另一个角度说就是能更明显的看到被抢占的现象。

• 信号量的作用---------------------------------
  
  

简单归纳为，对于一些资源，在使用时可能会被打扰或被抢占，而我又不想被抢占，这时就需要有个规则或约定来防止这种事情发生，这个规则或约定就是信号量。
直接进入正题。

• 先看看没信号量情况下的现象。
  
  

测试条件：不创建TaskMedium，只保留TaskLow、TaskHigh，在TaskLow、TaskHigh 中屏蔽OSSemPend() 和OSSemPost()。
运行效果如下：

红圈多出来的一个字符就是TaskLow任务需要打印的字符串。由此可知TaskLow任务在使用串口时，被优先级高的TaskHigh给抢去了。如果不想被抢走就需要用到信号量。

• 接下来看看使用信号量后的现象。
  
  

测试条件：不创建TaskMedium，只保留TaskLow、TaskHigh。在TaskLow、TaskHigh 中使用OSSemPend() 和OSSemPost()。
运行效果如下：

使用信号量后， TaskLow任务能完整打印字符串，说明在使用串口时不会被抢走了。
需要注意的是信号量可以分为二值信号量和计数信号量。计数信号量可根据资源数量设置信号量的数量，举个栗子比如银行业务窗口只能同时有5个人办理业务，再多的就要排队，这时就设置信号量数量为5，来一个人办理信号量就减一，减到0时说明人满了，其他人就要排队。当有人办理完时，信号量就加一，队伍里的人就可以出来一个去办理，这时信号量又减一，以此类推。计数信号量目前我还没使用过，不多讨论。
而二值信号量，数量只有1（0和1两个值），其中一个功能就是互斥。什么叫互斥，就是你用了我就不能用，我用了你就不能用，上面例程中使用的就是二值信号量，体现了互斥功能。二值信号量还有个功能就是同步，简单说就是当做一个标志量来使用，即一个地方只释放信号量，另一个地方等到信号量后就能执行。

• 优先级翻转现象---------------------------------
  
  

在uCOSII中，每个任务都有一个唯一的优先级。一句话概括优先级翻转现象，爸爸都还没出声，就轮到儿子大声说话了。

• 使用二值信号量出现的优先级翻转现象。
  
  

测试条件：创建所有任务。在TaskLow、TaskHigh 中使用OSSemPend() 和OSSemPost()。
运行结果如下：

小横杠是TaskMedium任务打印的字符串，可以看到TaskLow任务不停被打断。
这么看可能看不出什么名堂，低优先级被高优先级打断不是很正常吗？哪里能看到优先级翻转了呢？结合下图继续往下看。
有时候，低优先级的任务在占着资源未释放信号量，高优先级的任务也要用资源的话就得等待（比如TaskLow任务正在占用串口打印字符串，TaskHigh任务在等待），这时候有个中优先级的任务需要需要运行（比如TaskMedium任务过来打印小横杠）。因为TaskHigh优先级高，按理说TaskHigh任务只是在等待CPU使用权（使用了OSTimeDly()之类叫主动释放，这时谁要用CPU都不关心了），并不允许其他任务（优先级比TaskHigh低的）比它先得到使用权。就像排队，下一个就到我了，不许有人插队进来。
但实际就偏有人插队进来。如运行效果，TaskLow任务不断被打扰，但由于还未释放信号量，TaskHigh任务是没法获得CPU使用权来运行的，只能干瞪眼看着可恶的TaskMedium任务在捣乱，这看起来是TaskMedium优先级比TaskHigh高了，这就是优先级翻转现象。TaskMedium任务捣乱会让TaskLow任务不能尽快完成，TaskHigh任务就需要花更多时间等待。如果TaskMedium任务本身就需要很多时间来运行，TaskHigh任务将等到天荒地老，这对于实时操作系统是个灾难。
这里需要说明一下，TaskMedium任务不通过信号量使用了同一个串口，原则上违背了例程“使用信号量达到资源独占”的目的，但为了能体现优先级反转现象才这么设计，TaskMedium可以不用串口，去做别的事，但依旧会因优先级高于TaskLow而打断TaskLow。

• uCOS中的特殊信号量——互斥信号量
  
  

互斥信号量是一种二值信号量，在uCOS中能解决优先级翻转的问题。

• 使用互斥信号量解决优先级翻转问题。
  
  

测试条件：创建所有任务。创建一个互斥信号量。将TaskLow、TaskHigh 中OSSemPend() 和OSSemPost()替换成OSMutexPend() 和OSMutexPost() 。
创建互斥信号量的代码：
OS_EVENT *testmutex;testmutex = OSMutexCreate(MUTEX_PRIO, &err);  //MUTEX_PRIO是占用互斥信号量的任务被提升时所需的优先级  运行结果如下：

可以看到TaskLow任务已经能完整打印字符串。
互斥信号量能解决优先级翻转问题的关键在于，把占用信号量任务的优先级给提高了。TaskLow任务在占用信号量期间，优先级会被提升，这样就不会被打断以便尽快运行完释放信号量，释放信号量后TaskLow任务优先级会恢复到原来的。
使用互斥信号量需要注意一些地方。
官方明确规定，任务占用互斥信号量期间(还未释放信号量)，不能挂起该任务，也就是不能使用延时之类的将任务挂起。否则这互斥信号量就失效了。
对于提升优先级到底需要提升到多少，这个根据情况而定了，一般比所有等待互斥信号量的任务高一级就行，比如TaskHigh 优先级5，可以把TaskLow优先级提升至4。
还有优先级天花板的问题，即等待互斥信号的任务是最高了（0级），占用信号量的任务还能不能提升？此问题网上也有很多讨论，这里不多赘述。