Zephyr RTOS 信号量 (Semaphore)

目录

概述

1 信号量类型及特性

1.1 信号量类型

1.2  信号量 vs 其他同步机制

2 核心 API 函数

2.1 信号量定义与初始化

2.2 信号量获取

2.3  信号量释放

2.4 信号量状态查询

2.5 重置信号量

3 典型应用场景

3.1 资源池管理（计数信号量）

3.2 生产者-消费者同步

3.3 互斥访问（临界区保护）

3.4 多线程协同工作

3.5 实战案例：多传感器数据采集系统

4 高级用法与技巧

4.1 中断服务程序 (ISR) 中的信号量

4.2 与超时结合使用

4.3 优先级继承（使用互斥信号量）

4.4 信号量链式同步

5 性能优化与最佳实践

5.1  避免优先级反转

5.2 减少信号量争用

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概述

本文主要介绍Zephyr RTOS 信号量 (Semaphore) 的使用方法，信号量是 Zephyr RTOS 中最核心的同步机制之一，用于解决线程间同步、资源管理和互斥访问问题。Zephyr 的信号量机制提供了强大而灵活的线程同步能力。正确使用信号量可以构建出高效、响应迅速且资源利用率高的嵌入式系统。对于关键任务系统，其通过结合优先级继承和超时控制，确保系统在极端情况下的可靠性。

1 信号量类型及特性

1.1 信号量类型

类型	初始值	最大计数	主要用途	特点
计数信号量	N (N>0)	MAX (通常>1)	资源池管理	允许多个线程同时访问资源
二进制信号量	0 或 1	1	任务同步/互斥	可替代互斥锁
互斥信号量	1	1	临界区保护	支持优先级继承

1.2  信号量 vs 其他同步机制

机制	最佳场景	线程唤醒	优先级继承	中断安全
信号量	资源计数/任务同步	FIFO/优先级	否(互斥除外)	Give操作安全
互斥锁	临界区保护	优先级继承	是	不安全
消息队列	数据传输	FIFO	否	Put操作安全
事件	多事件通知	所有等待线程	否	安全
条件变量	复杂条件等待	单个线程	否	不安全

2 核心 API 函数

2.1 信号量定义与初始化

/* 静态定义 */
K_SEM_DEFINE(my_sem, initial_count, max_count);/* 动态初始化 */
struct k_sem my_sem;
k_sem_init(&my_sem, initial_count, max_count);

2.2 信号量获取

1）函数原型

int k_sem_take(struct k_sem *sem, k_timeout_t timeout);

2）参数：

• sem: 信号量指针

• timeout: 超时设置（K_NO_WAIT, K_FOREVER, K_MSEC(ms)）

 3）返回值：

• 0: 成功获取

• -EAGAIN: 非阻塞模式下信号量不可用

• -EINVAL: 无效参数

• -ETIMEDOUT: 超时

 2.3  信号量释放

1）函数原型

void k_sem_give(struct k_sem *sem);

2）功能介绍

• 在中断上下文安全使用

• 如果线程在等待，唤醒优先级最高的线程

 2.4 信号量状态查询

函数原型：

// 获取当前信号量计数
unsigned int k_sem_count_get(struct k_sem *sem);// 检查信号量是否可用
int k_sem_takeable(struct k_sem *sem); // 1=可用, 0=不可用

2.5 重置信号量

函数原型：

void k_sem_reset(struct k_sem *sem); // 重置为初始值

3 典型应用场景

3.1 资源池管理（计数信号量）

#define MAX_CONNECTIONS 5
K_SEM_DEFINE(db_sem, MAX_CONNECTIONS, MAX_CONNECTIONS);void db_thread(void) {if (k_sem_take(&db_sem, K_MSEC(100)) {LOG_ERR("数据库连接超时");return;}// 访问数据库execute_query();k_sem_give(&db_sem); // 释放连接
}

3.2 生产者-消费者同步

K_SEM_DEFINE(data_ready, 0, 1); // 二进制信号量// 生产者
void sensor_thread(void) {while (1) {read_sensor_data();k_sem_give(&data_ready); // 通知消费者k_sleep(K_MSEC(10));}
}// 消费者
void process_thread(void) {while (1) {k_sem_take(&data_ready, K_FOREVER); // 等待数据process_data();}
}

3.3 互斥访问（临界区保护）

K_SEM_DEFINE(flash_mutex, 1, 1); // 二进制信号量void write_flash(void) {k_sem_take(&flash_mutex, K_FOREVER);// 临界区 - 安全访问Flashflash_write_data();k_sem_give(&flash_mutex);
}

3.4 多线程协同工作

K_SEM_DEFINE(step1_done, 0, 1);
K_SEM_DEFINE(step2_done, 0, 1);void thread_A(void) {perform_step1();k_sem_give(&step1_done); // 通知线程Bk_sem_take(&step2_done, K_FOREVER); // 等待线程Bperform_step3();
}void thread_B(void) {k_sem_take(&step1_done, K_FOREVER); // 等待线程Aperform_step2();k_sem_give(&step2_done); // 通知线程A
}

3.5 实战案例：多传感器数据采集系统

#include <zephyr/kernel.h>
#include <zephyr/drivers/sensor.h>K_SEM_DEFINE(temp_ready, 0, 1);
K_SEM_DEFINE(humid_ready, 0, 1);
K_SEM_DEFINE(data_mutex, 1, 1);struct sensor_data {float temperature;float humidity;
} current_data;// 温度传感器线程
void temp_thread(void) {const struct device *temp_sensor = DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(temp0));while (1) {sensor_sample_fetch(temp_sensor);k_sem_take(&data_mutex, K_FOREVER);sensor_channel_get(temp_sensor, SENSOR_CHAN_AMBIENT_TEMP, &current_data.temperature);k_sem_give(&data_mutex);k_sem_give(&temp_ready);k_sleep(K_SECONDS(2));}
}// 湿度传感器线程
void humid_thread(void) {const struct device *humid_sensor = DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(humid0));while (1) {sensor_sample_fetch(humid_sensor);k_sem_take(&data_mutex, K_FOREVER);sensor_channel_get(humid_sensor, SENSOR_CHAN_HUMIDITY, &current_data.humidity);k_sem_give(&data_mutex);k_sem_give(&humid_ready);k_sleep(K_SECONDS(3));}
}// 数据处理线程
void processing_thread(void) {while (1) {// 等待两种数据就绪k_sem_take(&temp_ready, K_FOREVER);k_sem_take(&humid_ready, K_FOREVER);k_sem_take(&data_mutex, K_FOREVER);float temp = current_data.temperature;float humid = current_data.humidity;k_sem_give(&data_mutex);// 计算露点float dew_point = calculate_dew_point(temp, humid);printk("温度: %.1fC, 湿度: %.1f%%, 露点: %.1fC\n", temp, humid, dew_point);}
}

4 高级用法与技巧

4.1 中断服务程序 (ISR) 中的信号量

K_SEM_DEFINE(adc_ready, 0, 1);// ADC转换完成中断
void adc_isr(const void *arg) {k_sem_give(&adc_ready); // 在ISR中安全释放信号量
}// 处理线程
void adc_thread(void) 
{while (1) {if (k_sem_take(&adc_ready, K_MSEC(500)) {process_adc_data();} else {LOG_WRN("ADC数据超时");}}
}

4.2 与超时结合使用

#define TIMEOUT_MS 200void critical_operation(void) {if (k_sem_take(&resource_sem, K_MSEC(TIMEOUT_MS))) {// 成功获取资源do_work();k_sem_give(&resource_sem);} else {// 超时处理handle_timeout();}
}

4.3 优先级继承（使用互斥信号量）

// 定义互斥信号量
K_MUTEX_DEFINE(high_pri_mutex);void high_pri_thread(void) {k_mutex_lock(&high_pri_mutex, K_FOREVER);// 临界区k_mutex_unlock(&high_pri_mutex);
}void low_pri_thread(void) {k_mutex_lock(&high_pri_mutex, K_FOREVER);// 执行期间会临时提升优先级k_mutex_unlock(&high_pri_mutex);
}

4.4 信号量链式同步

K_SEM_DEFINE(stage1, 0, 1);
K_SEM_DEFINE(stage2, 0, 1);
K_SEM_DEFINE(stage3, 0, 1);void pipeline_thread(void) {k_sem_take(&stage1, K_FOREVER);process_stage1();k_sem_give(&stage2);k_sem_take(&stage2, K_FOREVER);process_stage2();k_sem_give(&stage3);k_sem_take(&stage3, K_FOREVER);process_stage3();
}

5 性能优化与最佳实践

5.1  避免优先级反转

 

解决方案：

• 使用互斥信号量 (k_mutex) 替代二进制信号量

• 限制临界区执行时间

• 优先级继承机制

5.2 减少信号量争用

// 错误用法 - 频繁信号量操作
for (int i = 0; i < 100; i++) {k_sem_take(&sem, K_FOREVER);update_single_value(i);k_sem_give(&sem);
}// 优化用法 - 批量处理
k_sem_take(&sem, K_FOREVER);
for (int i = 0; i < 100; i++) {update_single_value(i);
}
k_sem_give(&sem);