RT-thread内核之信号量

一、信号量控制块：在include/rtdef.h中

#ifdef RT_USING_SEMAPHORE
/**
 * Semaphore structure
 */
struct rt_semaphore
{
    struct rt_ipc_object parent;                        /**< inherit from ipc_object *///派生自IPC对象  

    rt_uint16_t          value;                         /**< value of semaphore. */    //信号量计数器
};
typedef struct rt_semaphore *rt_sem_t;
#endif

信号量是用来解决线程同步和互斥的通用工具，和互斥量类似，信号量也可用作资源互斥访问，但信号量没有所有者的概念，在应用上比互斥量更广泛。信号量比较简单，不能解决优先级翻转问题，但信号量是一种轻量级的对象，比互斥量小巧、灵活。因此在很多对互斥要求不严格的系统中（或者不会造成优先级翻转的情况下），经常使用信号量来管理互斥资源。value为信号计数器,此信号量多次被释放时将会累加，在被获取时则将减1，当其值为0时，再请求获取的线程将会被挂起到挂起链表中。

二、信号量相关接口：在src/ipc.c中

创建动态信号量：
rt_sem_t rt_sem_create(const char *name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag);
当调用这个函数时，系统将先分配一个semaphore对象，并初始化这个对象，然后初始化IPC对象以及与semaphore相关的部分。在创建信号量指定的参数中，信号量标志参数决定了当信号量不可用时，多个线程等待的排队方式。当选择FIFO方式时，那么等待线程队列将按照先进先出的方式排队，先进入的线程将先获得等待的信号量；当选择PRIO（优先级等待）方式时，等待线程队列将按照优先级进行排队，优先级高的等待线程将先获得等待的信号量。

删除动态信号量：
rt_err_t rt_sem_delete(rt_sem_t sem);
调用这个函数时，系统将删除这个信号量。如果删除该信号量时，有线程正在等待该信号量，那么删除操作会先唤醒所有等待在该信号量上的线程（所有等待线程的error返回值是-RT_ERROR，表明为异常唤醒），然后再释放信号量的内存资源。

初始化静态信号量：
rt_err_t rt_sem_init(rt_sem_t    sem,
                     const char *name,
                     rt_uint32_t value,
                     rt_uint8_t  flag);
当调用这个函数时，系统将对这个semaphore对象进行初始化，然后初始化IPC对象以及与semaphore相关的部分。在初始化信号量指定的参数中，信号量标志参数决定了当信号量不可用时，多个线程等待的方式。当选择FIFO方式时，那么等待线程队列将按照先进先出的方式排队，先进入的线程将先获得等待的信号量；当选择PRIO（优先级等待）方式时，等待线程队列将按照优先级进行排队，优先级高的等待线程将先获得等待的信号量。

脱离静态信号量：
rt_err_t rt_sem_detach(rt_sem_t sem);
使用该函数后，内核先唤醒所有挂在该信号量等待队列上的所有线程，然后将该信号量从内核对象管理器中删除。原来挂起在信号量上的所有等待线程error值将获得-RT_ERROR 的返回值。

获取信号量：
rt_err_t rt_sem_take(rt_sem_t sem, rt_int32_t time);
线程通过获取信号量来获得信号量资源实例，当信号量值大于零时，线程将获得信号量，并且相应的信号量值都会减1。
在调用这个函数时，如果信号量的值等于零，那么说明当前信号量资源实例不可用，申请该信号量的线程将根据time参数的情况选择直接返回、或挂起等待一段时间、或永久等待，直到其他线程或中断释放该信号量。如果在参数time指定的时间内依然得不到信号量，线程将超时返回，返回值是-RT_ETIMEOUT。获取信号量函数首先会判断当前是否有信号量（通过value值是否大于0来判断），如果有则立即成功返回，如果没有，则接下来首先判断是否有时间参数，如果等待时间参数为0，则表示需要立即返回，则立即返回错误。如果等待时间参数大于0，则表示需要延时一段时间，在此延时期间，如何信号量到达，或者信号量被非法脱离，或一直没有等到，则通过判断线程的error值来判断当前是否已经成功获得信号值，因为如果成功获得信号量时，即在另一个线程release信号后，因此这一整个过程并没有修改线程的error值，因此，线程的error值一直保持原先的RT_EOK不变。若是线程一直没有等待到信号量的到达，即产生的定时器超时时（在take过程中会将设置一定时器，然后启动它，再挂起当前线程），在线程定时器的回调超时处理函数中，程序会将线程的error值修改为-RT_ETIMEOUT。另，如果之前讲解脱离线程时，如果在某一线程等待信号量期间，这个信号量被意外脱离了时，在脱离信号量的函数中，程序会将线程的error值修改为-RT_ERROR。综上所述，程序可以通过线程的error值来对其是否真正获得信号量进行判定，即如果线程的error值一直保持原样即thread->error==RT_EOK时，则为已获取信号量，否则没有获取，要么超时（-RT_ETIMEOUT)，要么非法脱离（-RT_ERROR)了。

无等待获取信号量：
rt_err_t rt_sem_trytake(rt_sem_t sem);
当用户不想在申请的信号量上挂起线程进行等待时，可以使用无等待方式获取信号量，这个函数与rt_sem_take(sem, 0) 的作用相同，即当线程申请的信号量资源实例不可用的时候，它不会等待在该信号量上，而是直接返回-RT_ETIMEOUT。

释放信号量：
rt_err_t rt_sem_release(rt_sem_t sem);
当线程完成资源的访问后，应尽快释放它持有的信号量，使得其他线程能获得该信号量。当信号量的值等于零时，并且有线程等待这个信号量时，将唤醒等待在该信号量线程队列中的第一个线程，由它获取信号量。否则将把信号量的值加1。

控制信号量：
rt_err_t rt_sem_control(rt_sem_t sem, rt_uint8_t cmd, void *arg);
对于cmd，在rtdef.h中只定义了#define RT_IPC_CMD_RESET这一条有效命令，即重新设置信号量值value，同时唤醒所有等待该信号量的线程，参数arg的值为新的信号量值。只支持重置信号量，此时若其存在挂起线程，则将其全部唤醒再次重新调度。此时在rt_ipc_list_resume_all函数中会将所有挂起的线程的error值设置为-RT_ERROR.