互斥锁如何保证 freeRTOS 中的所有权？

Question

我正在使用 esp32 在 freeRTOS 中使用 Mutex。在一些文档中，我已经阅读了互斥锁保证所有权，这意味着如果一个线程（我们将其命名为 task_A）锁定了一个关键资源（获取令牌），其他线程（task_B 和 task_C）将保持在等待模式，等待该资源被解锁由锁定它的同一线程（即task_A）。我试图通过设置其他任务（task_B 和 task_C）在开始做任何事情之前提供一个令牌来证明这一点，然后它会尝试从互斥锁持有者那里获取一个令牌，这令人惊讶地工作而没有显示任何错误的孩子. 好吧，我用来验证或显示事情如何工作的方法我创建了一个显示函数，它读取每个任务发布（设置和清除）的事件（当它处于等待模式时，如果它正在工作，它会设置等待位，它将设置工作咬起来等等......，你明白了）。以及一个简单的 printf()，以防 take 或 give 函数出错（xSemaphoreTake != true 和 xSemaphoreGive != true）。

我无法使用调试模式，因为我没有任何类型的微控制器调试器。

这是我正在尝试做的一个示例： 我创建了许多任务，每个任务都会调用这个函数，但在不同的时间使用不同的设置。

void vVirtualResource(int taskId, int runTime_ms){
  int delay_tick = 10;
  int currentTime_tick = 0;
  int stopTime_tick = runTime_ms/portTICK_PERIOD_MS;
  if(xSemaphoreGive(xMutex)!=true){
      printf("Something wrong in giving first mutex's token in task id: %d\n", taskId);
  }

  while(xSemaphoreTake(xMutex, 10000/portTICK_PERIOD_MS) != true){
    vTaskDelay(1000/portTICK_PERIOD_MS);
  }
// notify that the task with <<task id>> is currently running and using this resource
  switch (taskId)
  {
  case 1:
    xEventGroupClearBits(xMutexEvent, EVENTMASK_MUTEXTSK1);
    xEventGroupSetBits(xMutexEvent, EVENTRUN_MUTEXTSK1);
    break;
  case 2:
    xEventGroupClearBits(xMutexEvent, EVENTMASK_MUTEXTSK2);
    xEventGroupSetBits(xMutexEvent, EVENTRUN_MUTEXTSK2);
    break;
  case 3:
    xEventGroupClearBits(xMutexEvent, EVENTMASK_MUTEXTSK3);
    xEventGroupSetBits(xMutexEvent, EVENTRUN_MUTEXTSK3);
    break;
  default:
    break;
  }
  // start running the resource
  while(currentTime_tick<stopTime_tick){
    vTaskDelay(delay_tick);
    currentTime_tick += delay_tick;
  }
  // gives back the token
  if(xSemaphoreGive(xMutex)!=true){
    printf("Something wrong in giving mutex's token in task id: %d\n", taskId);
  }

}

您会注意到，第一次在处理器中开始运行的第一个任务将打印出第一条错误消息，因为在互斥锁持有者中仍有令牌时它无法提供令牌，这是正常的，所以我忽略了它。

希望有人可以向我解释互斥锁如何使用 freeRTOS 中的代码保证所有权。首先，我没有使用第一个 xSemaphoreGive 函数，它运行良好。但这并不意味着它可以保证任何事情。或者我编码不正确。

谢谢。

Answer 1

您的示例非常复杂，我也没有看到task_A、task_B 或task_C 的明确代码，所以我将尝试用一个更简单的示例来解释，希望能解释互斥锁如何保证资源所有权。

使用互斥锁的一般方法如下：

void doWork()
{
  // attempt to take mutex
  if(xSemaphoreTake(mutex, WAIT_TIME) == pdTRUE)
  {
    // mutex taken - do work
    ...
    // release mutex
    xSemaphoreGive(mutex);
  }
  else
  {
    // failed to take mutex for 'WAIT_TIME' amount of time
  }
}

上面的doWork函数是可能被多个线程同时调用的函数，需要保护。对于需要保护的给定资源上的每个功能，此模式重复。如果资源更复杂，一个好方法是保护线程可调用的最顶层函数，然后如果成功采用互斥锁，则调用执行实际工作的内部函数。

您所说的所有权保证是if(xSemaphoreTake(mutex, WAIT_TIME) == pdTRUE) 语句下可能不会有多个上下文（线程，还有中断）。换句话说，如果一个上下文成功地获取了互斥锁，则保证没有其他上下文也能够获取它，除非原始上下文首先使用xSemaphoreGive 释放它。

现在至于您的方案 - 虽然我并不完全清楚它应该如何工作，但我可以看到您的代码存在两个问题：

1. xSemaphoreGive 在函数的开头 - 不要那样做。互斥锁默认是“给予”的，如果你不是第一个“接受”它的人，你就不应该“给予”它。始终将xSemaphoreGive 放在成功的xSemaphoreTake 下，别无其他。

2. 这个代码块：

   while(xSemaphoreTake(xMutex, 10000/portTICK_PERIOD_MS) != true){
     vTaskDelay(1000/portTICK_PERIOD_MS);
   }
   

   如果您需要等待互斥锁的时间更长 - 请指定更长的时间。如果您想要无限等待，只需指定最长可能时间 (0xFFFFFFFF)。在您的场景中，您每 10 秒轮询一次互斥锁，然后延迟 1 秒，在此期间互斥锁未实际检查，这意味着在其他线程释放互斥锁后，您将不得不等待近一秒钟开始在请求它的当前线程中工作。等待互斥锁已经由 RTOS 以最佳方式完成 - 一旦它被释放，它就会唤醒当前等待互斥锁的最高优先级任务，无需做更多不必要的事情。

如果我要就如何修复您的示例提供建议 - 简化它并且不要做超出需要的操作，例如额外调用 xSemaphoreGive 或实现您自己的等待互斥锁。将执行某些工作的代码部分隔离到一个单独的函数，该函数在最顶部对xSemaphoreTake 进行一次调用，并且仅当xSemaphoreTake 成功时才对xSemaphoreGive 进行一次调用。然后从不同的线程调用这个函数来测试它是否有效。