"互斥(mutext)和旗語(semaphore)之間有什么不同?"這樣的問題簡短而有力,但要回答卻相當困難.即使有經驗的實時操作系統(RTOS)用戶在區別如何正確使用mutex和semaphore時也存在著困難.
但這一點很不幸而且很危險,因為無任這兩種原生RTOS中的哪一種被錯誤使用,都會導致嵌入式系統出現意想不到的錯誤,特別是這些系統為有關生命安全的產品時.
有關mutex和semaphore的荒誕說法是它們是相似的,甚至是可以互換的.正確的事實是盡管mutex和semaphore在它們的執行上有相似之處,但是我們還是應該在使用它們時加以區別對待.
最普遍(但也是不正確)的答案是:mutex和semphore非常相似,它們只有一個區別,那就是semaphores的計數可以超過1. 差不多所有的工程師都能正確的理解:mutex是一個二進制標志,可以通過它來確保執行流在代碼關鍵區(critical section of code)互相排斥,從而對共享資源加一保護.但當他們被要求進一步回答如何使用"計算方法semaphore"的方式時,大部分工程師的回答就如同教科書書一般的刻板---semaphore用于保護多重同類資源.
通過類比辦法,我們很容易解釋為什么"多重資源"場景是有缺陷的.如果你認為一個mutex是由操作系統擁有的關鍵值的話,我們可以很容易地將個別的mutex比喻是城市咖啡店中一間浴室的鑰匙.如果你想使用浴室,卻找不到鑰匙,你就必須在一個隊列中等候.同樣地,mutex則協串行化多項任務,以取得全域資源的共享,并且為等待隊列中的任務分配一個靜候其循序漸進的位置.
但這種簡單的資源保護協議并不使用于兩間相同浴室的情況.如果把一個semaphore概括為一個mutex,使其能保護兩個或更多相同的資源,那么在我們的比喻中,它就象是放著兩把相同鑰匙的藍子,你可以用任何一把打開任何一扇浴室的門.
因此,semaphore本身并不能解決多個相同資源的問題.咖啡店中的客人可能只知道有一把鑰匙,但并不知道哪間浴室可用.如果你試圖以此方式使用semaphore,你將會發現需要更多的狀態信息---它們通常是由不同的mutex所保護的共享資源.
正確使用semaphore是為了使信號從一項任務傳至另一項任務.mutex意味著取得與釋放,使用受保護共享資源的每一次任務都是以這樣的順序進行.相比之下,使用semaphore的任務通常不是發送信號,就是進入等待狀態,不可能同時發生.
例如,任務1可能包含程序代碼,當按下"電源"(power)按鈕時,即可提出(如發送信號或增量)一個特別的semaphore; 任務2則依據相同的semaphore而用于喚醒顯示器. 在這種情況下,其中一項任務是信號的生產者,另一項任務是信號的消費者.
用一個例子來做總結,首先展示如何使用mutex:
/* Task 1 */
mutexWait(mutex_mens_room);
// Safely use shared resource
mutexRelease(mutex_mens_room);
/* Task 2 */
mutexWait(mutex_mens_room);
// Safely use shared resource
mutexRelease(mutex_mens_room);
相應地,你總是采用下列方法使用semaphore:
/* Task 1 - Producer */
semPost(sem_power_btn); // Send the signal
/* Task 2 - Consumer */
semPend(sem_power_btn); // Wait for signal
重要的是,semaphores可以被interrupt service routine(ISR)中斷服務程序用來向task發送信號.發送一個semaphore是一個非阻塞的RTOS行為,并且ISR安全.因為這種技術排除了在task級別的為了是中斷不使能而引起的錯誤的可能性,從ISR中發出信號是一種使嵌入式軟件更加可靠的設計方式.
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