同步互斥与通信-有缺陷的同步示例FreeRTOS笔记

同步与互斥的概念

1. 同步（Synchronization）

定义：同步是指多个任务/线程之间按照特定的顺序执行，确保某些操作的依赖关系被满足。
本质：协调任务的执行顺序，避免因顺序不当导致的错误。

2. 互斥（Mutual Exclusion）

定义：互斥是指多个任务/线程不能同时访问共享资源，确保资源的独占性。
本质：防止多个任务同时修改共享数据，避免竞态条件（Race Condition）。

例子：
一句话理解同步与互斥：我等你用完厕所，我再用厕所。
什么叫同步？就是：哎哎哎，我正在用厕所，你等会。
什么叫互斥？就是：哎哎哎，我正在用厕所，你不能进来。
同步与互斥经常放在一起讲，是因为它们之的关系很大，“互斥”操作可以使用“同步”来实现。我“等”你用完厕所，我再用厕所。这不就是用“同步”来实现“互斥”吗？

再举一个例子：
在团队活动里，同事A先写完报表，经理B才能拿去向领导汇报。经理B必须等同事A完成报表，AB之间有依赖，B必须放慢脚步，被称为同步。在团队活动中，同事A已经使用会议室了，经理B也想使用，即使经理B是领导，他也得等着，这就叫互斥。经理B跟同事A说：你用完会议室就提醒我。这就是使用"同步"来实现"互斥"。

同步：在代码中，任务B需要等待任务A完成某个操作（如计算结果）后才能继续执行。（使用信号量等机制）
互斥：在代码中，多个任务不能同时修改同一个全局变量或硬件寄存器。（使用互斥锁（Mutex）、二进制信号量等机制）

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3. 代码示例分析

问题：死循环等待

// 任务A：计算
int global_flag = 0;
void taskA() {// 执行计算global_flag = 1; // 标记完成
}// 任务B：等待任务A完成
void taskB() {while (global_flag == 0) { // 死循环等待// 空转，浪费CPU}// 使用计算结果
}

问题原因：

• 编译器优化可能导致 global_flag 的值被缓存在寄存器中，任务B无法及时读取到内存中的新值。
• 死循环会持续占用CPU资源，效率低下。

解决方案：

1. 使用 volatile 关键字：

   volatile int global_flag = 0;
   

   • 确保每次访问 global_flag 都直接从内存读取，避免编译器优化。

2. 使用同步机制替代死循环：

   • 用信号量或互斥锁替代忙等待：

     SemaphoreHandle_t sem = xSemaphoreCreateBinary();void taskA() {// 执行计算xSemaphoreGive(sem); // 通知任务B完成
     }void taskB() {xSemaphoreTake(sem, portMAX_DELAY); // 阻塞等待，不浪费CPU// 使用计算结果
     }
     

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4. 死循环的效率问题

• 忙等待（Busy Waiting）：
  • 任务B在等待时不断轮询变量，导致CPU资源浪费。
  • 在RTOS中，应避免忙等待，改用阻塞式等待（如信号量、事件标志）。
• RTOS调度特点：
  • RTOS会根据任务的优先级和状态（就绪、阻塞、挂起）调度CPU时间。
  • 如果任务B阻塞等待，RTOS可以将CPU分配给其他任务，提高系统效率。

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5. 总结

概念	核心目的	典型机制	应用场景
同步	协调任务的执行顺序	信号量、条件变量	依赖关系（如任务B等任务A）
互斥	防止多个任务同时访问资源	互斥锁、二进制信号量	共享资源保护（如全局变量）
优化问题	避免编译器优化导致的变量问题	volatile 关键字	多任务共享变量

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关键点

1. 同步 ≠ 互斥：同步关注顺序，互斥关注资源独占。
2. 避免忙等待：用阻塞式等待替代死循环，提高系统效率。
3. 正确使用 volatile：确保共享变量的内存可见性，避免编译器优化错误。