FreeRTOS的信号量和互斥量之间的区别和联系

信号量

信号量简介

• 队列(queue)可以用于传输数据：在任务之间、任务和中断之间，消息队列用于传输多个数据，占用时间按也相对较长，但是有时候我们只需要传递状态，这个状态值需要用一个数值表示，一般是用作同步的效果

• 所有的信号量的本质的都是特殊的队列(特殊：信号量只有队列头部，并没有后面的环形存储区，也就是说信号量只负责消息传递，并不传递数据)信号量用来进行共享资源的管理和任务同步【ps：信号量里面的二值信号量用于同步】

信号量特征

• 信号量这个名字，我们可以把它拆分来看，信号可以起到通知信号的作用，然后我们的量还可以用来表示资源的数量，当我们的量只有0和1的时候，它就可以被称作二值的信号量，只有两个状态，当我们的那个量没有限制的时候，它就可以被称作为计数型信号量。

信号量也是队列的一种

• 因为队列创建的时候，需要传入队列的长度以及队列的大小，而我们的信号量其实就是一种特殊的队列，只不过它的大小是0，毕竟我们的信号量是不需要传递数据，只需要传递信号，然后长度是N，当N=1的时候就是二值信号量，他就只有0和1两个状态，这里的0和1两个状态是指被填入和被拿走这两个状态，当N>1时，就是我们的计数信号量，他也不传递数据，只是传递一个数量值，一般是记录我们设备的资源数量

二值信号量：

• 二值信号量其实就是一个长度为1，然后大小为零的队列，然后它的状态只有0和1两种状态，也就是被写入和被取走的两种状态，通常情况下，我们用它来进行数据同步，就像平时在程序中设置的那个变量flag

计数信号量：

• 计数信号量其实就是二指信号量的升级版，那只是信号量只有0和1两种状态，而我们的这个就有很多种状态，通常情况下是用来记录系统的资源，就比如说我们记录一个车库里的辆车，每当有人来停车或者取车的时候他的数量都会进行对应的加减，我们就可以很轻松的看到我们车库的状态，然后也知道车库里面有几辆车

互斥量

互斥量的上锁机制

• 由于上面的那种情况导致我们的二值信号量，通常都是用来进行数据的同步一个负责发送数据，然后一个负责同步数据，而互斥量，其实它更像一个上锁的机制，两个任务需要公用一个资源，所以我们可以把互斥量又叫做互斥锁

互斥量的优先级继承机制

• 互斥量的出现就是去弥补二值信号量的缺点，使得上锁的低优先级的任务可以先运行，然后是有锁的高优先级的任务，最后才是中间优先级的任务

优先级继承机制：上锁期间其他任务无法进行抢占

二值信号量和互斥量的作用

二值信号量的作用

• 同步：中断与任务之间使用信号量来完成同步，同样，任务与任务之间也可以使用信号量来完成同步。

• 共享资源管理：二值信号量也可以用于共享资源的管理。举个例子一个共享资源，一次只能一个任务使用且只有使用和未使用两种状态。使用共享资源的两个状态作为信号量的话，那么这就是二值信号量。

互斥量的作用

• 互斥量（mutex）又称互斥信号量，是一个特殊的二值信号量，可以通过它来确保执行流在代码关键区互相排斥，从而对共享资源进行独占式处理。互斥量是二进制信号量的一个变种，开启互斥量需要在头文件FreeRTOSConfig.h中设置configUSE_MUTEXES为1。任意时刻互斥量的状态只有两种，开锁或闭锁。

二值信号量和互斥锁关系

相同点

• （1）同为用于多线程（任务）条件同步的机制

• （2）都可用于对共享资源的保护

不同点

• （1）优先级反转问题

  • 互斥量和二值信号量最大的区别就是：互斥量具有优先级继承。例如，低优先级的任务A持有互斥量的时候，优先级高的任务B开始尝试获得这个锁。但是任务B无法获取互斥量而进入阻塞状态。正在使用互斥量的任务A会临时将优先级提升到任务B的优先级。这个优先级提升的过程就是优先级继承。这个机制用于确保高优先级任务进入阻塞状态的时间尽可能地短。

  • 实例：
    
    互斥量的出现就是去弥补二值信号量的缺点，使得上锁的低优先级的任务可以先运行，然后是有锁的高优先级的任务，最后才是中间优先级的任务

• （2）应用的优势场景不同：

  • 二值信号量更适合用于用于任务与任务或中断与任务之间的同步，互斥量更适合用于互斥，用于保护保护只能有一个任务访问的共享资源。

  • 互斥量不能用于中断服务程序中，信号量可以。因为互斥可能会阻塞，但是中断不能阻塞等待；而且互斥量有优先级继承机制，只有互斥量从任务中释放和获取时才有意义，而不是中断。

• （3）使用API创建不同

如何根据场景选择

1. 根据场景选择合适的同步机制

   • 互斥量是包含优先级继承机制的二值信号量。二值信号量是实现同步（任务之间或任务和中断之间）的更好选择，而互斥量是实现简单互斥的更好选择，虽然互斥量也可以用于任务与任务之间、任务与中断之间的同步，但是互斥量更多用于保护共享资源的互锁。

2. 根据优先级设计同步机制

   • 因为二值信号量没有优先级继承继承，所以二值信号量相对适合优先级高的任务。

回答信号量和互斥锁之间的区别：

• 互斥量是一个特殊的二值信号量，特殊点在于互斥量具有优先级继承，优先级继承的特点是任务上锁期间其他任务无法进行抢占，这就导致上锁的低优先级的任务可以先运行，所以互斥锁的应用场景更多是在于保护公共资源，而二值信号量适合任务与任务或中断与任务之间的同步，因为在中断服务程序中，二值信号量不会阻塞，互斥量可能会阻塞。