【TencentOS tiny】深度源碼分析（5）——信號量

信號量

信號量（sem）在操做系統中是一種實現系統中任務與任務、任務與中斷間同步或者臨界資源互斥保護的機制。在多任務系統中，各任務之間常須要同步或互斥，信號量就能夠爲用戶提供這方面的支持。

抽象來講，信號量是一個非負整數，每當信號量被獲取（pend）時，該整數會減一，當該整數的值爲 0 時，表示信號量處於無效狀態，將沒法被再次獲取，全部試圖獲取它的任務將進入阻塞態。一般一個信號量是有計數值的，它的計數值能夠用於系統資源計數（統計）。

通常來講信號量的值有兩種：

• 0：表示沒有積累下來的post信號量操做，且可能有任務阻塞在此信號量上。
• 正值：表示有一個或多個post信號量操做。

通常來講信號量多用於同步而非互斥，由於操做系統中會提供另外一種互斥機制（互斥鎖），互斥量的互斥做用更完善：互斥鎖有優先級繼承機制，而信號量則沒有這個機制，此外互斥量還擁有全部者屬性，咱們會在後續講解。

信號量也如隊列同樣，擁有阻塞機制。任務須要等待某個中斷髮生後，再去執行對應的處理，那麼任務能夠處於阻塞態等待信號量，直到中斷髮生後釋放信號量後，該任務才被喚醒去執行對應的處理。在釋放（post）信號量的時候能當即將等待的任務轉變爲就緒態，若是任務的優先級在就緒任務中是最高的，任務就能當即被運行，這就是操做系統中的「實時響應，實時處理」。在操做系統中使用信號量能夠提升處理的效率。

信號量的數據結構

信號量控制塊

TencentOS tiny 經過信號量控制塊操做信號量，其數據類型爲k_sem_t，信號量控制塊由多個元素組成，主要有 pend_obj_t 類型的pend_obj以及k_sem_cnt_t類型的count。而pend_obj有點相似於面向對象的繼承，繼承一些屬性，裏面有描述內核資源的類型（如信號量、隊列、互斥量等，同時還有一個等待列表list）。而count則是一個簡單的變量（它是16位的無符號整數），表示信號量的值。

typedef struct k_sem_st {
    pend_obj_t      pend_obj;
    k_sem_cnt_t     count;
} k_sem_t;

與信號量相關的宏定義

在tos_config.h中，使能信號量的宏定義是TOS_CFG_SEM_EN

#define TOS_CFG_SEM_EN              1u

信號量實現

TencentOS tiny 中實現信號量很是簡單，核心代碼僅僅只有125行，能夠說是很是少了。

建立信號量

系統中每一個信號量都有對應的信號量控制塊，信號量控制塊中包含了信號量的全部信息，好比它的等待列表、它的資源類型，以及它的信號量值，那麼能夠想象一下，建立信號量的本質是否是就是對信號量控制塊進行初始化呢？很顯然就是這樣子的。由於在後續對信號量的操做都是經過信號量控制塊來操做的，若是控制塊沒有信息，那怎麼能操做嘛~

建立信號量函數是tos_sem_create()，傳入兩個參數，一個是信號量控制塊的指針*sem，另外一個是信號量的初始值init_count，該值是非負整數便可，但主要不能超過65535。

實際上就是調用pend_object_init()函數將信號量控制塊中的sem->pend_obj成員變量進行初始化，它的資源類型被標識爲PEND_TYPE_SEM。而後將sem->count成員變量設置爲傳遞進來的信號量的初始值init_count。

__API__ k_err_t tos_sem_create(k_sem_t *sem, k_sem_cnt_t init_count)
{
    TOS_PTR_SANITY_CHECK(sem);

    pend_object_init(&sem->pend_obj, PEND_TYPE_SEM);
    sem->count = init_count;
    
    return K_ERR_NONE;
}

銷燬信號量

信號量銷燬函數是根據信號量控制塊直接銷燬的，銷燬以後信號量的全部信息都會被清除，並且不能再次使用這個信號量，當信號量被銷燬時，其等待列表中存在任務，系統有必要將這些等待這些任務喚醒，並告知任務信號量已經被銷燬了PEND_STATE_DESTROY。而後產生一次任務調度以切換到最高優先級任務執行。

TencentOS tiny 對信號量銷燬的處理流程以下：

1. 調用pend_is_nopending()函數判斷一下是否有任務在等待信號量
2. 若是有則調用pend_wakeup_all()函數將這些任務喚醒，而且告知等待任務信號量已經被銷燬了（即設置任務控制塊中的等待狀態成員變量pend_state爲PEND_STATE_DESTROY）。
3. 調用pend_object_deinit()函數將信號量控制塊中的內容清除，最主要的是將控制塊中的資源類型設置爲PEND_TYPE_NONE，這樣子就沒法使用這個信號量了。
4. 進行任務調度knl_sched()

注意：若是信號量控制塊的RAM是由編譯器靜態分配的，因此即便是銷燬了信號量，這個內存也是沒辦法釋放的。固然你也可使用動態內存爲信號量控制塊分配內存，只不過在銷燬後要將這個內存釋放掉，避免內存泄漏。

__API__ k_err_t tos_sem_destroy(k_sem_t *sem)
{
    TOS_CPU_CPSR_ALLOC();

    TOS_PTR_SANITY_CHECK(sem);

#if TOS_CFG_OBJECT_VERIFY_EN > 0u
    if (!pend_object_verify(&sem->pend_obj, PEND_TYPE_SEM)) {
        return K_ERR_OBJ_INVALID;
    }
#endif

    TOS_CPU_INT_DISABLE();

    if (!pend_is_nopending(&sem->pend_obj)) {
        pend_wakeup_all(&sem->pend_obj, PEND_STATE_DESTROY);
    }

    pend_object_deinit(&sem->pend_obj);

    TOS_CPU_INT_ENABLE();
    knl_sched();

    return K_ERR_NONE;
}

獲取信號量

tos_sem_pend()函數用於獲取信號量，當信號量有效的時候，任務才能獲取信號量。任務獲取了某個信號量時，該信號量的可用個數減一，當它爲0的時候，獲取信號量的任務會進入阻塞態，阻塞時間timeout由用戶指定，在指定時間還沒法獲取到信號量時，將發送超時，等待任務將自動恢復爲就緒態。

獲取信號量的過程以下：

1. 首先檢測傳入的參數是否正確。
2. 判斷信號量控制塊中的count成員變量是否大於0，大於0表示存在可用信號量，將count成員變量的值減1，任務獲取成功後返回K_ERR_NONE。
3. 若是不存在信號量則可能會阻塞當前獲取的任務，看一下用戶指定的阻塞時間timeout是否爲不阻塞TOS_TIME_NOWAIT，若是不阻塞則直接返回K_ERR_PEND_NOWAIT錯誤代碼。
4. 若是調度器被鎖了knl_is_sched_locked()，則沒法進行等待操做，返回錯誤代碼K_ERR_PEND_SCHED_LOCKED，畢竟須要切換任務，調度器被鎖則沒法切換任務。
5. 調用pend_task_block()函數將任務阻塞，該函數實際上就是將任務從就緒列表中移除k_rdyq.task_list_head[task_prio]，而且插入到等待列表中object->list，若是等待的時間不是永久等待TOS_TIME_FOREVER，還會將任務插入時間列表中k_tick_list，阻塞時間爲timeout，而後進行一次任務調度knl_sched()。
6. 當程序能行到pend_state2errno()時，則表示任務等獲取到信號量，又或者等待發生了超時，那麼就調用pend_state2errno()函數獲取一下任務的等待狀態，看一下是哪一種狀況致使任務恢復運行，而且將結果返回給調用獲取信號量的任務。

注意：當獲取信號量的任務能從阻塞中恢復運行，也不必定是獲取到信號量，也多是發生了超時，所以在寫程序的時候必需要判斷一下獲取的信號量狀態，若是是K_ERR_NONE則表示獲取成功！

__API__ k_err_t tos_sem_pend(k_sem_t *sem, k_tick_t timeout)
{
    TOS_CPU_CPSR_ALLOC();

    TOS_PTR_SANITY_CHECK(sem);
    TOS_IN_IRQ_CHECK();

#if TOS_CFG_OBJECT_VERIFY_EN > 0u
    if (!pend_object_verify(&sem->pend_obj, PEND_TYPE_SEM)) {
        return K_ERR_OBJ_INVALID;
    }
#endif

    TOS_CPU_INT_DISABLE();

    if (sem->count > (k_sem_cnt_t)0u) {
        --sem->count;
        TOS_CPU_INT_ENABLE();
        return K_ERR_NONE;
    }

    if (timeout == TOS_TIME_NOWAIT) { // no wait, return immediately
        TOS_CPU_INT_ENABLE();
        return K_ERR_PEND_NOWAIT;
    }

    if (knl_is_sched_locked()) {
        TOS_CPU_INT_ENABLE();
        return K_ERR_PEND_SCHED_LOCKED;
    }

    pend_task_block(k_curr_task, &sem->pend_obj, timeout);

    TOS_CPU_INT_ENABLE();
    knl_sched();

    return pend_state2errno(k_curr_task->pend_state);
}

釋放信號量

任務或者中斷服務程序均可以釋放信號量（post），釋放信號量的本質就是將信號量控制塊的count成員變量的值加1，表示信號量有效，不過若是有任務在等待這個信號量時，信號量控制塊的count成員變量的值是不會改變的，由於要喚醒等待任務，而喚醒等待任務的本質就是等待任務獲取到信號量，信號量控制塊的count成員變量的值要減1，這一來一回中，信號量控制塊的count成員變量的值是不會改變的。

TencentOS tiny 中能夠只讓等待中的一個任務獲取到信號量，也可讓全部等待任務都獲取到信號量。分別對應的API是tos_sem_post()與tos_sem_post_all()。順便提一點，tos_sem_post_all()的設計模式實際上是觀察者模式，當一個觀察的對象改變後，那麼全部的觀察者都會知道它改變了，具體能夠看看《大話設計模式》這本書。

TencentOS tiny 中設計的很好的地方就是簡單與低耦合，這兩個api接口本質上都是調用sem_do_post()函數去釋放信號量，只是經過opt參數不一樣選擇不一樣的處理方法。

在sem_do_post()函數中的處理也是很是簡單明瞭的，其執行思路以下：

1. 首先判斷一下信號量是否溢出了，由於一個整數始終都會溢出的，總不能一直釋放信號量讓count成員變量的值加1吧，所以必需要判斷一下是否溢出，若是sem->count的值爲 (k_sem_cnt_t)-1，則表示已經溢出，沒法繼續釋放信號量，返回錯誤代碼K_ERR_SEM_OVERFLOW。
2. 調用pend_is_nopending()函數判斷一下是否有任務在等待信號量，若是沒有則將count成員變量的值加1，返回K_ERR_NONE表示釋放信號量成功，由於此時沒有喚醒任務也就無需任務調度，直接返回便可。
3. 若是有任務在等待信號量，則count成員變量的值無需加1，直接調用pend_wakeup喚醒對應的任務便可，喚醒任務則是根據opt參數進行喚醒，能夠喚醒等待中的一個任務或者是全部任務。
4. 進行一次任務調度knl_sched()。

__API__ k_err_t tos_sem_post(k_sem_t *sem)
{
    TOS_PTR_SANITY_CHECK(sem);

    return sem_do_post(sem, OPT_POST_ONE);
}

__API__ k_err_t tos_sem_post_all(k_sem_t *sem)
{
    TOS_PTR_SANITY_CHECK(sem);

    return sem_do_post(sem, OPT_POST_ALL);
}

__STATIC__ k_err_t sem_do_post(k_sem_t *sem, opt_post_t opt)
{
    TOS_CPU_CPSR_ALLOC();

#if TOS_CFG_OBJECT_VERIFY_EN > 0u
    if (!pend_object_verify(&sem->pend_obj, PEND_TYPE_SEM)) {
        return K_ERR_OBJ_INVALID;
    }
#endif

    TOS_CPU_INT_DISABLE();

    if (sem->count == (k_sem_cnt_t)-1) {
        TOS_CPU_INT_ENABLE();
        return K_ERR_SEM_OVERFLOW;
    }

    if (pend_is_nopending(&sem->pend_obj)) {
        ++sem->count;
        TOS_CPU_INT_ENABLE();
        return K_ERR_NONE;
    }

    pend_wakeup(&sem->pend_obj, PEND_STATE_POST, opt);

    TOS_CPU_INT_ENABLE();
    knl_sched();

    return K_ERR_NONE;
}

關於爲何判斷sem->count是(k_sem_cnt_t)-1就表明溢出呢？我在C語言中舉了個簡單的例子：

#include <stdio.h>

int main()
{
    unsigned int a = ~0;
    if(a == (unsigned int)0XFFFFFFFF)
    {
        printf("OK\n");
    }
    if(a == (unsigned int)-1)
    {
        printf("OK\n");
    }
    
   printf("unsigned int a = %d \n",a);
   
   return 0;
}

輸出：
OK
OK
unsigned int a = -1

總結

代碼精悍短小，思想清晰，很是建議深刻學習~

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