RT-Thread 之互斥量使用
互斥量（Mutex）是 RT-Thread 中用于解決線程間共享資源獨占訪問的核心 IPC 機制，本文簡單介紹了互斥量的API函數和使用示例。
一、互斥量概述
互斥量（Mutex）是 RT-Thread 中用于解決線程間共享資源獨占訪問的核心 IPC 機制，核心特性是 “二值狀態” 與 “優先級繼承”：僅允許同一時間一個線程持有互斥量（類似 “獨占鎖”），且當低優先級線程持有互斥量時，若高優先級線程請求該資源，低優先級線程會臨時繼承高優先級，避免 “優先級反轉” 問題。
典型應用場景：
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多線程競爭硬件外設（如 LED、UART、SPI 總線），防止并發操作導致的設備異常；
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多線程讀寫全局數據（如傳感器采集緩存、配置參數），避免數據錯亂；
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實時性要求高的場景（如工業控制中高優先級控制線程與低優先級日志線程共享資源）。
二、互斥量核心 API 函數
互斥量的操作圍繞 “創建 / 初始化 / 獲取 / 釋放 / 刪除 / 脫離” 展開，需區分動態創建（依賴內存堆）與靜態初始化（基于全局 / 靜態變量），核心參數與功能如下表所示。
2.1 互斥量的創建與初始化
| 類型 | 函數原型 | 關鍵參數說明 |
|---|---|---|
| 動態創建 | rt_mutex_t rt_mutex_create(const char *name, rt_uint8_t flag) | - name：互斥量名稱（用于 FinSH 調試，如 “mutex_test”）- flag：等待隊列排序方式（RT_IPC_FLAG_FIFO= 先進先出；RT_IPC_FLAG_PRIO= 按線程優先級） |
| 靜態初始化 | rt_err_t rt_mutex_init(rt_mutex_t mutex, const char *name, rt_uint8_t flag) | - mutex：全局 / 靜態定義的互斥量對象（如struct rt_mutex mutex_test）- 其他參數同動態創建 |
2.2 互斥量的獲取
獲取互斥量即 “申請共享資源”，若互斥量未被持有則直接占用，若已被持有則線程進入阻塞狀態，直到超時或資源釋放。
| 函數 | 功能描述 |
|---|---|
| rt_err_t rt_mutex_take(rt_mutex_t mutex, rt_int32_t timeout) | 帶超時獲取：timeout= 等待時間（單位：tick，RT_WAITING_FOREVER= 永久等待，0= 無等待） |
| rt_err_t rt_mutex_trytake(rt_mutex_t mutex) | 無等待獲取：若互斥量不可用，直接返回RT_EBUSY，不阻塞線程 |
2.3 互斥量的釋放與銷毀
釋放互斥量即 “歸還共享資源”，僅允許持有互斥量的線程調用；銷毀 / 脫離用于回收互斥量占用的資源。
| 操作 | 函數原型 | 適用場景 |
|---|---|---|
| 釋放 | rt_err_t rt_mutex_release(rt_mutex_t mutex) | 線程使用完資源后，歸還互斥量 |
| 動態刪除 | rt_err_t rt_mutex_delete(rt_mutex_t mutex) | 銷毀動態創建的互斥量（釋放堆內存） |
| 靜態脫離 | rt_err_t rt_mutex_detach(rt_mutex_t mutex) | 脫離靜態初始化的互斥量（不釋放內存） |
三、互斥量使用示例
3.1 源代碼
#include "thread_task.h"
#include "main.h"
#include <stdio.h>
#include "rtthread.h"
#include <rthw.h>
/******************************************** 線程 1 ******************************************************/
#define THREAD_1_PRIORITY 4 /* 線程優先級（值越小優先級越高） */
#define THREAD_1_STACK_SIZE 512 /* 線程棧空間大小（單位：字節） */
#define THREAD_1_TIMESLICE 10 /* 線程時間片個數（單位：tick） */
static struct rt_thread *thread_1_handle; /* 線程句柄 */
/******************************************** 線程 2 ******************************************************/
#define THREAD_2_PRIORITY 5 /* 線程優先級（低于線程1） */
#define THREAD_2_STACK_SIZE 512 /* 線程棧空間大小 */
#define THREAD_2_TIMESLICE 10 /* 線程時間片個數 */
static struct rt_thread *thread_2_handle; /* 線程句柄 */
struct rt_mutex mutex_test; /* 靜態互斥量對象（全局定義，提前分配內存） */
/**
* @brief LED閃爍函數（固定閃爍6次，即3個完整周期）
* @param time：每次翻轉后的延遲時間（單位：tick）
*/
void LED_toggle(uint16_t time)
{
for(uint8_t i = 0; i < 6; i++)
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, LED1_Pin);
rt_thread_delay(time);
}
}
/**
* @brief 線程1入口函數（高優先級，10Hz閃爍LED）
* @param param：線程參數（未使用，設為RT_NULL）
*/
void thread_1_entry(void* param)
{
while(1)
{
/* 帶100ms超時獲取互斥量：非關鍵任務，超時后放棄，避免阻塞 */
if (rt_mutex_take(&mutex_test, 100) == RT_EOK)
{
LED_toggle(100);
/* 釋放互斥量，歸還資源 */
rt_mutex_release(&mutex_test);
}
rt_thread_delay(200);
}
}
/**
* @brief 線程2入口函數（低優先級，1Hz閃爍LED）
* @param param：線程參數（未使用，設為RT_NULL）
*/
void thread_2_entry(void* param)
{
while(1)
{
/* 永久等待獲取互斥量：關鍵任務，必須拿到資源才執行 */
if (rt_mutex_take(&mutex_test, RT_WAITING_FOREVER) == RT_EOK)
{
LED_toggle(1000);
rt_mutex_release(&mutex_test);
}
rt_thread_delay(300);
}
}
/**
* @brief 初始化互斥量并創建啟動線程（先初始化互斥量，再啟動線程）
*/
void ThreadStart(void)
{
rt_base_t level = rt_hw_interrupt_disable();
/* 靜態初始化互斥量 */
rt_mutex_init(
&mutex_test, /* 互斥量對象 */
"mutex_test", /* 互斥量名稱（用于finsh調試） */
RT_IPC_FLAG_FIFO /* 等待隊列按FIFO排序（也可使用 RT_IPC_FLAG_PRIO） */
);
/* 動態創建并啟動線程1 */
thread_1_handle = rt_thread_create(
"thread_1", /* 線程名稱 */
thread_1_entry, /* 線程入口函數 */
RT_NULL, /* 線程參數 */
THREAD_1_STACK_SIZE, /* 線程棧大小 */
THREAD_1_PRIORITY, /* 線程優先級 */
THREAD_1_TIMESLICE /* 線程時間片 */
);
if (thread_1_handle != RT_NULL)
rt_thread_startup(thread_1_handle);
/* 動態創建并啟動線程2 */
thread_2_handle = rt_thread_create(
"thread_2", /* 線程名稱 */
thread_2_entry, /* 線程入口函數 */
RT_NULL, /* 線程參數 */
THREAD_2_STACK_SIZE, /* 線程棧大小 */
THREAD_2_PRIORITY, /* 線程優先級 */
THREAD_2_TIMESLICE /* 線程時間片 */
);
if (thread_2_handle != RT_NULL)
rt_thread_startup(thread_2_handle);
rt_hw_interrupt_enable(level);
}
3.2 代碼執行流程
3.2.1 初始階段（資源初始化）
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調用ThreadStart時，先關閉中斷，避免互斥量初始化被打斷（原子操作）；
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靜態初始化互斥量mutex_test，等待隊列按 FIFO 排序，初始狀態為 “未被持有”；
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動態創建線程 1（優先級 4）和線程 2（優先級 5），創建成功后啟動線程；
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恢復中斷，RT-Thread 調度器開始工作，優先調度高優先級線程。
3.2.2 競爭階段（高優先級線程優先）
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線程 1 優先級高于線程 2，調度器優先切換線程 1 執行；
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線程 1 調用rt_mutex_take(&mutex_test, 100)：互斥量未被持有，獲取成功（標記為 “已持有”），執行LED_toggle(100)（10Hz 閃爍 6 次，耗時 600ms）；
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線程 2 進入就緒態，因優先級低，等待線程 1 釋放 CPU。
3.2.3 優先級繼承階段（避免優先級反轉）
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線程 1 閃爍完成后，調用rt_mutex_release(&mutex_test)：互斥量恢復 “未持有”，線程 1 執行rt_thread_delay(200)（主動阻塞，釋放 CPU）；
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調度器切換線程 2 執行，線程 2 調用rt_mutex_take(&mutex_test, RT_WAITING_FOREVER)：獲取成功，執行LED_toggle(1000)（1Hz 閃爍，耗時 6000ms）；
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線程 1 的 200ms 延遲結束，進入就緒態：因優先級高，調度器嘗試切換線程 1 執行，但互斥量已被線程 2 持有；
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優先級繼承生效：內核檢測到 “高優先級線程 1 等待低優先級線程 2 的互斥量”，將線程 2 優先級臨時提升至 4（與線程 1 一致），確保線程 2 不被其他線程搶占，加速資源釋放。
3.2.4 資源釋放與優先級恢復
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線程 2 完成閃爍后，調用rt_mutex_release(&mutex_test)：互斥量釋放，喚醒阻塞的線程 1，內核自動將線程 2 優先級恢復為 5；
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調度器切換線程 1 執行，線程 1 成功獲取互斥量，繼續 10Hz 閃爍；
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線程 2 回到就緒態，等待下一次資源競爭。
3.3 同步效果
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資源獨占保障：LED 始終按單一頻率閃爍（10Hz 或 1Hz），無頻率混亂（如快速閃與慢速閃穿插），證明互斥量阻止了線程對 LED 的并發操作；
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優先級繼承效果：線程 2 持有資源時，不會被其他線程搶占，6000ms 內可快速釋放資源，避免線程 1 長期阻塞；
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超時機制作用：線程 1 的 100ms 超時獲取，若互斥量因異常無法釋放，線程 1 會放棄請求，避免自身永久阻塞（提升系統魯棒性）。
四、關鍵設計注意事項
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禁止中斷中使用：互斥量的take/release可能導致線程阻塞，而中斷服務函數（ISR）不允許阻塞，因此絕不能在 ISR 中調用互斥量 API；
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成對調用 take/release：獲取互斥量后必須釋放，避免 “死鎖”（如線程 1 獲取后未釋放就阻塞，其他線程無法獲取）；
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避免遞歸獲取：同一線程不能多次調用rt_mutex_take獲取同一互斥量（會導致線程自身阻塞），若需遞歸訪問，需使用 RT-Thread 遞歸互斥量（rt_recursive_mutex）；
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初始化時機：靜態初始化的互斥量必須在線程啟動前完成（如示例中先初始化mutex_test，再創建線程），避免線程競爭未初始化的資源；
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動態創建的內存管理：動態創建的互斥量（rt_mutex_create）使用完后，需調用rt_mutex_delete銷毀，釋放堆內存，避免內存泄漏。
總結
本文詳細解析了 RT-Thread 互斥量的核心特性、API 函數與實操示例，重點說明了 “優先級繼承” 如何解決優先級反轉問題。通過靜態初始化互斥量、多線程競爭 LED 資源的案例，驗證了互斥量在共享資源獨占訪問中的有效性。實際開發中，需結合場景選擇動態 / 靜態方式，遵循 “成對調用、禁止中斷使用” 等規則，確保系統穩定運行。
浙公網安備 33010602011771號