RT-Thread 之信号量使用
1. 信号量概述
信号量（Semaphore）是 RT-Thread 中核心的同步与互斥 IPC 机制，根据初始值可分为两类，适用场景不同：
- 二值信号量（初始值 = 1）：实现互斥访问，确保同一时间只有一个线程占用共享资源（如硬件外设、全局变量）。
- 计数信号量（初始值 > 1）：实现资源计数，允许指定数量的线程同时访问共享资源（如有限的缓冲区、总线接口）。
典型应用场景：多个传感器采集线程竞争 I2C 总线时，用初始值为 1 的二值信号量做互斥锁，避免总线数据冲突；多线程读取环形缓冲区时，用计数信号量统计可用数据量，实现生产者 - 消费者同步。
2. 信号量核心 API 函数
信号量的操作围绕 “创建 / 初始化 / 获取 / 释放 / 删除 / 脱离” 展开，需注意动态创建与静态初始化的区别（动态依赖内存堆，静态基于已分配的全局 / 静态变量）。
2.1 信号量的创建与初始化
| 类型 | 函数原型 | 关键参数说明 |
|---|---|---|
| 动态创建 | rt_sem_t rt_sem_create(const char *name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag) |
- name：信号量名称（用于调试）- value：初始值（1 = 互斥，>1 = 计数）- flag：等待队列排序方式（RT_IPC_FLAG_FIFO= 先进先出；RT_IPC_FLAG_PRIO= 按线程优先级） |
| 静态初始化 | rt_err_t rt_sem_init(rt_sem_t sem, const char *name, rt_uint32_t value, rt_uint8_t flag) |
- sem：全局 / 静态定义的信号量对象（需提前分配内存）- 其他参数同动态创建 |
2.2 信号量的获取
获取信号量即 “申请资源”，若信号量值 > 0 则直接占用（值 - 1），若值 = 0 则线程进入阻塞状态，直到超时或被唤醒。
| 函数 | 功能描述 |
|---|---|
rt_sem_take(rt_sem_t sem, rt_int32_t timeout) |
带超时获取：timeout= 等待时间（单位：tick，RT_WAITING_FOREVER= 永久等待，0= 无等待） |
rt_sem_trytake(rt_sem_t sem) |
无等待获取：若信号量不可用，直接返回错误（RT_EBUSY），不阻塞线程 |
2.3 信号量的释放与销毁
释放信号量即 “归还资源”，会将信号量值 + 1，并按创建时的flag唤醒等待队列中的线程；销毁则释放信号量占用的资源。
| 操作 | 函数原型 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 释放 | rt_err_t rt_sem_release(rt_sem_t sem) |
线程使用完资源后，归还信号量 |
| 动态删除 | rt_err_t rt_sem_delete(rt_sem_t sem) |
销毁动态创建的信号量（释放堆内存） |
| 静态脱离 | rt_err_t rt_sem_detach(rt_sem_t sem) |
脱离静态初始化的信号量（不释放内存） |
3. 信号量使用示例
3.1 源代码
#include "thread_task.h"
#include "main.h"
#include <stdio.h>
#include "rtthread.h"
#include <rthw.h>
/******************************************** 线程 1 ******************************************************/
#define THREAD_1_PRIORITY 4 /* 线程优先级（值越小优先级越高） */
#define THREAD_1_STACK_SIZE 512 /* 线程栈空间大小（单位：字节） */
#define THREAD_1_TIMESLICE 10 /* 线程时间片个数（单位：tick） */
static struct rt_thread *thread_1_handle; /* 线程句柄 */
/******************************************** 线程 2 ******************************************************/
#define THREAD_2_PRIORITY 5 /* 线程优先级（低于线程1） */
#define THREAD_2_STACK_SIZE 512 /* 线程栈空间大小 */
#define THREAD_2_TIMESLICE 10 /* 线程时间片个数 */
static struct rt_thread *thread_2_handle; /* 线程句柄 */
struct rt_semaphore sem_test; /* 静态信号量对象（全局定义，提前分配内存） */
/**
* @brief LED闪烁函数（固定闪烁6次，即3个完整周期）
* @param time：每次翻转后的延迟时间（单位：tick）
*/
void LED_toggle(uint16_t time)
{
for(uint8_t i = 0; i < 6; i++) // 翻转6次 = 3个亮灭周期
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, LED1_Pin);
rt_thread_delay(time); // 延迟等待，模拟资源占用
}
}
/**
* @brief 线程1入口函数（高优先级，10Hz闪烁LED）
* @param param：线程参数
*/
void thread_1_entry(void* param)
{
while(1)
{
/* 带100ms超时获取信号量：非关键任务，超时后放弃，避免阻塞 */
if (rt_sem_take(&sem_test, 100) == RT_EOK)
{
LED_toggle(100); // 10Hz = 周期100ms → 每次延迟100ms（亮50ms+灭50ms）
rt_sem_release(&sem_test); // 释放信号量，归还资源
}
rt_thread_delay(200); // 线程执行间隔，降低CPU占用
}
}
/**
* @brief 线程2入口函数（低优先级，1Hz闪烁LED）
* @param param：线程参数
*/
void thread_2_entry(void* param)
{
while(1)
{
/* 永久等待获取信号量：关键任务，必须拿到资源才执行 */
if (rt_sem_take(&sem_test, RT_WAITING_FOREVER) == RT_EOK)
{
LED_toggle(1000); // 1Hz = 周期1000ms → 每次延迟1000ms（亮500ms+灭500ms）
rt_sem_release(&sem_test); // 释放信号量，归还资源
}
rt_thread_delay(300); // 线程执行间隔
}
}
/**
* @brief 初始化信号量并创建启动线程
*/
void ThreadStart(void)
{
rt_base_t level = rt_hw_interrupt_disable();
/* 静态初始化信号量） */
rt_sem_init(
&sem_test, /* 信号量对象 */
"sem_test", /* 信号量名称（用于finsh调试） */
1, /* 初始值=1 → 二值信号量（互斥模式） */
RT_IPC_FLAG_FIFO /* 等待队列按FIFO排序 */
);
/* 动态创建并启动线程1 */
thread_1_handle = rt_thread_create(
"thread_1", /* 线程名称 */
thread_1_entry, /* 线程入口函数 */
RT_NULL, /* 线程参数 */
THREAD_1_STACK_SIZE, /* 线程栈大小 */
THREAD_1_PRIORITY, /* 线程优先级 */
THREAD_1_TIMESLICE /* 线程时间片 */
);
if (thread_1_handle != RT_NULL)
rt_thread_startup(thread_1_handle);
/* 动态创建并启动线程2 */
thread_2_handle = rt_thread_create(
"thread_2", /* 线程名称 */
thread_2_entry, /* 线程入口函数 */
RT_NULL, /* 线程参数 */
THREAD_2_STACK_SIZE, /* 线程栈大小 */
THREAD_2_PRIORITY, /* 线程优先级 */
THREAD_2_TIMESLICE /* 线程时间片 */
);
if (thread_2_handle != RT_NULL)
rt_thread_startup(thread_2_handle);
rt_hw_interrupt_enable(level); // 恢复中断
}
3.2 代码执行流程
3.2.1 初始阶段（资源初始化）
- 调用
ThreadStart时，先关闭中断，确保信号量初始化不被打断； - 静态初始化信号量
sem_test，初始值 = 1（二值互斥模式），等待队列按 FIFO 排序； - 动态创建线程 1（优先级 4）和线程 2（优先级 5），并启动线程；
- 恢复中断，线程进入就绪状态，RT-Thread 调度器开始调度。
3.2.2 竞争阶段（高优先级线程优先）
- 线程 1 优先级（4）高于线程 2（5），调度器优先切换线程 1 执行；
- 线程 1 调用
rt_sem_take，信号量值 1→0，获取成功，开始执行LED_toggle(100)（10Hz 闪烁 6 次，耗时 600ms）； - 线程 2 同时调用
rt_sem_take，信号量值为 0，进入永久阻塞状态，等待信号量释放。
3.2.3 优先级调度阶段（高优先级线程抢占）
- 线程 1 闪烁完成后，调用
rt_sem_release释放信号量，值 0→1，同时唤醒阻塞的线程 2； - 此时线程 1 因优先级更高，调度器优先将线程 1 切换为就绪状态，线程 1 再次调用
rt_sem_take，优先获取信号量，继续执行； - 线程 2 被唤醒后，发现信号量已被线程 1 占用，再次进入阻塞状态，等待下一次信号量释放。
3.2.4 交替执行特征（LED 表现）
- 线程 1（高优先级）获取信号量的概率更高，LED 频繁以 10Hz 快速闪烁；
- 仅当线程 1 释放信号量后，进入
rt_thread_delay(200)延迟时（线程 1 阻塞），线程 2 才能获取信号量，执行 1Hz 慢速闪烁； - 最终 LED 表现：以 10Hz 快速闪烁为主，偶尔插入 1Hz 慢速闪烁，无闪烁混乱（信号量互斥生效）。
3.2.5 同步效果
- 信号量确保 LED 硬件资源同一时间仅被一个线程控制，避免并发操作导致的闪烁频率混乱；
- 优先级机制保证高优先级线程（线程 1）的实时性，满足快速响应需求；
- 线程 1 的 100ms 超时获取，避免因资源长期被占用导致自身阻塞；线程 2 的永久等待，确保关键闪烁任务不丢失。
浙公网安备 33010602011771号