RT-Thread 之信號量使用
1. 信號量概述
信號量（Semaphore）是 RT-Thread 中核心的同步與互斥 IPC 機制，根據初始值可分為兩類，適用場景不同：
- 二值信號量（初始值 = 1）：實現互斥訪問，確保同一時間只有一個線程占用共享資源（如硬件外設、全局變量）。
- 計數信號量（初始值 > 1）：實現資源計數，允許指定數量的線程同時訪問共享資源（如有限的緩沖區(qū)、總線接口）。
典型應用場景：多個傳感器采集線程競爭 I2C 總線時，用初始值為 1 的二值信號量做互斥鎖，避免總線數據沖突；多線程讀取環(huán)形緩沖區(qū)時，用計數信號量統(tǒng)計可用數據量，實現生產者 - 消費者同步。
2. 信號量核心 API 函數
信號量的操作圍繞 “創(chuàng)建 / 初始化 / 獲取 / 釋放 / 刪除 / 脫離” 展開，需注意動態(tài)創(chuàng)建與靜態(tài)初始化的區(qū)別（動態(tài)依賴內存堆，靜態(tài)基于已分配的全局 / 靜態(tài)變量）。
2.1 信號量的創(chuàng)建與初始化
| 類型 | 函數原型 | 關鍵參數說明 |
|---|---|---|
| 動態(tài)創(chuàng)建 | rt_sem_t rt_sem_create(const char *name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag) |
- name：信號量名稱（用于調試）- value：初始值（1 = 互斥，>1 = 計數）- 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(yōu)先級） |
| 靜態(tài)初始化 | rt_err_t rt_sem_init(rt_sem_t sem, const char *name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag) |
- sem：全局 / 靜態(tài)定義的信號量對象（需提前分配內存）- 其他參數同動態(tài)創(chuàng)建 |
2.2 信號量的獲取
獲取信號量即 “申請資源”，若信號量值 > 0 則直接占用（值 - 1），若值 = 0 則線程進入阻塞狀態(tài)，直到超時或被喚醒。
| 函數 | 功能描述 |
|---|---|
rt_sem_take(rt_sem_t sem, 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_sem_trytake(rt_sem_t sem) |
無等待獲取：若信號量不可用，直接返回錯誤（RT_EBUSY），不阻塞線程 |
2.3 信號量的釋放與銷毀
釋放信號量即 “歸還資源”，會將信號量值 + 1，并按創(chuàng)建時的flag喚醒等待隊列中的線程；銷毀則釋放信號量占用的資源。
| 操作 | 函數原型 | 適用場景 |
|---|---|---|
| 釋放 | rt_err_t rt_sem_release(rt_sem_t sem) |
線程使用完資源后，歸還信號量 |
| 動態(tài)刪除 | rt_err_t rt_sem_delete(rt_sem_t sem) |
銷毀動態(tài)創(chuàng)建的信號量（釋放堆內存） |
| 靜態(tài)脫離 | rt_err_t rt_sem_detach(rt_sem_t sem) |
脫離靜態(tài)初始化的信號量（不釋放內存） |
3. 信號量使用示例
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(yōu)先級（值越小優(yōu)先級越高） */
#define THREAD_1_STACK_SIZE 512 /* 線程棧空間大小（單位：字節(jié)） */
#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(yōu)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_semaphore sem_test; /* 靜態(tài)信號量對象（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++) // 翻轉6次 = 3個亮滅周期
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, LED1_Pin);
rt_thread_delay(time); // 延遲等待，模擬資源占用
}
}
/**
* @brief 線程1入口函數（高優(yōu)先級，10Hz閃爍LED）
* @param param：線程參數
*/
void thread_1_entry(void* param)
{
while(1)
{
/* 帶100ms超時獲取信號量：非關鍵任務，超時后放棄，避免阻塞 */
if (rt_sem_take(&sem_test, 100) == RT_EOK)
{
LED_toggle(100); // 10Hz = 周期100ms → 每次延遲100ms（亮50ms+滅50ms）
rt_sem_release(&sem_test); // 釋放信號量，歸還資源
}
rt_thread_delay(200); // 線程執(zhí)行間隔，降低CPU占用
}
}
/**
* @brief 線程2入口函數（低優(yōu)先級，1Hz閃爍LED）
* @param param：線程參數
*/
void thread_2_entry(void* param)
{
while(1)
{
/* 永久等待獲取信號量：關鍵任務，必須拿到資源才執(zhí)行 */
if (rt_sem_take(&sem_test, RT_WAITING_FOREVER) == RT_EOK)
{
LED_toggle(1000); // 1Hz = 周期1000ms → 每次延遲1000ms（亮500ms+滅500ms）
rt_sem_release(&sem_test); // 釋放信號量，歸還資源
}
rt_thread_delay(300); // 線程執(zhí)行間隔
}
}
/**
* @brief 初始化信號量并創(chuàng)建啟動線程
*/
void ThreadStart(void)
{
rt_base_t level = rt_hw_interrupt_disable();
/* 靜態(tài)初始化信號量） */
rt_sem_init(
&sem_test, /* 信號量對象 */
"sem_test", /* 信號量名稱（用于finsh調試） */
1, /* 初始值=1 → 二值信號量（互斥模式） */
RT_IPC_FLAG_FIFO /* 等待隊列按FIFO排序 */
);
/* 動態(tài)創(chuàng)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(yōu)先級 */
THREAD_1_TIMESLICE /* 線程時間片 */
);
if (thread_1_handle != RT_NULL)
rt_thread_startup(thread_1_handle);
/* 動態(tài)創(chuàng)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(yōu)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); // 恢復中斷
}
3.2 代碼執(zhí)行流程
3.2.1 初始階段（資源初始化）
- 調用
ThreadStart時，先關閉中斷，確保信號量初始化不被打斷； - 靜態(tài)初始化信號量
sem_test，初始值 = 1（二值互斥模式），等待隊列按 FIFO 排序； - 動態(tài)創(chuàng)建線程 1（優(yōu)先級 4）和線程 2（優(yōu)先級 5），并啟動線程；
- 恢復中斷，線程進入就緒狀態(tài)，RT-Thread 調度器開始調度。
3.2.2 競爭階段（高優(yōu)先級線程優(yōu)先）
- 線程 1 優(yōu)先級（4）高于線程 2（5），調度器優(yōu)先切換線程 1 執(zhí)行；
- 線程 1 調用
rt_sem_take，信號量值 1→0，獲取成功，開始執(zhí)行LED_toggle(100)（10Hz 閃爍 6 次，耗時 600ms）； - 線程 2 同時調用
rt_sem_take，信號量值為 0，進入永久阻塞狀態(tài)，等待信號量釋放。
3.2.3 優(yōu)先級調度階段（高優(yōu)先級線程搶占）
- 線程 1 閃爍完成后，調用
rt_sem_release釋放信號量，值 0→1，同時喚醒阻塞的線程 2； - 此時線程 1 因優(yōu)先級更高，調度器優(yōu)先將線程 1 切換為就緒狀態(tài)，線程 1 再次調用
rt_sem_take，優(yōu)先獲取信號量，繼續(xù)執(zhí)行； - 線程 2 被喚醒后，發(fā)現信號量已被線程 1 占用，再次進入阻塞狀態(tài)，等待下一次信號量釋放。
3.2.4 交替執(zhí)行特征（LED 表現）
- 線程 1（高優(yōu)先級）獲取信號量的概率更高，LED 頻繁以 10Hz 快速閃爍；
- 僅當線程 1 釋放信號量后，進入
rt_thread_delay(200)延遲時（線程 1 阻塞），線程 2 才能獲取信號量，執(zhí)行 1Hz 慢速閃爍； - 最終 LED 表現：以 10Hz 快速閃爍為主，偶爾插入 1Hz 慢速閃爍，無閃爍混亂（信號量互斥生效）。
3.2.5 同步效果
- 信號量確保 LED 硬件資源同一時間僅被一個線程控制，避免并發(fā)操作導致的閃爍頻率混亂；
- 優(yōu)先級機制保證高優(yōu)先級線程（線程 1）的實時性，滿足快速響應需求；
- 線程 1 的 100ms 超時獲取，避免因資源長期被占用導致自身阻塞；線程 2 的永久等待，確保關鍵閃爍任務不丟失。
浙公網安備 33010602011771號