信号量同步

信号量 — 任务同步 — OSAL 计数信号量

前置阅读：多任务并发 — 需要先理解任务创建和优先级模型

学习目标

• 理解信号量的核心用途——任务间同步（"数据准备好了"的信号）
• 掌握 osal_sem_init(sem, val) → osal_sem_down(sem) → osal_sem_up(sem) 的标准调用链
• 理解二值信号量（任务同步）和计数信号量（资源管理）的区别和使用场景
• 能够在任务间用信号量实现生产者→消费者的数据就绪通知

基本概念

信号量解决什么问题

信号量是任务间最轻量的同步方式——一个任务说"好了"，另一个任务收到后继续。形象地说：信号量像是一面旗子——生产者举旗（sem_up），消费者看到旗子后行动（sem_down）。

sequenceDiagram
    participant P as 生产者
    participant S as 信号量<br/>count=0
    participant C as 消费者

    C->>S: sem_down — count=0, 阻塞等待
    Note over C: 消费者休眠...

    P->>P: 完成工作 1s
    P->>S: sem_up — count=1
    S->>C: 唤醒消费者
    C->>C: 处理通知
    C->>S: sem_down — count=0, 再次阻塞

典型使用场景

场景	谁 up	谁 down
传感器采样完成 → 通知处理任务	采样任务（或 DMA 中断 ISR）	数据处理任务
按键中断 → 唤醒处理任务	ISR（sem_up 可在 ISR 中调用）	按键处理任务
多个空闲缓冲区可用	缓冲区释放者（每次释放 up）	缓冲区申请者（每次申请 down）

osal_sem_up 是唯一可以在 ISR 中安全调用的同步原语之一（另一个是 osal_msg_queue_write_copy）。如果需要在中断中通知任务，信号量是首选。

信号量 vs 互斥锁

初学者容易混淆这两个概念，但它们解决的问题完全不同：

对比项	信号量	互斥锁
解决什么问题	同步——"数据好了"	互斥——"这个归我用"
初值	0（等通知）或 N（N 个资源）	1（未锁定）
计数范围	0 ~ N	0 ~ 1
优先级继承	无	有
ISR 中释放	sem_up 可以	mutex_unlock 不行
谁释放	任何任务/ISR	只能由加锁的任务解锁

信号量 = "有 3 个空闲缓冲区可用"（计数型）。互斥锁 = "串口当前只有我能用"（排他型）。两者不是替代关系。

二值信号量 vs 计数信号量

flowchart LR
    A[信号量初值] --> B{初值是多少?}
    B -->|0 或 1| C[二值信号量<br/>用途: 任务同步<br/>有没有新数据]
    B -->|N > 1| D[计数信号量<br/>用途: 资源管理<br/>还有几个空闲]

• 二值信号量：初值 0 或 1，用于任务同步——生产者 up → 消费者 down，一对一通知
• 计数信号量：初值 N（如 3），用于资源管理——每分配一个资源 down（N-1），每释放一个资源 up（N+1），N 降到 0 时申请者阻塞

涉及 API

API	谁调用	用途	头文件
osal_sem_init(osal_semaphore *sem, int val)	入口任务	初始化信号量，val=初始计数	osal_semaphore.h
osal_sem_down(osal_semaphore *sem)	消费者任务	P 操作——等待信号量，count=0 则阻塞	osal_semaphore.h
osal_sem_down_timeout(osal_semaphore *sem, unsigned int timeout)	消费者任务	P 操作——带超时，timeout 单位 ms	osal_semaphore.h
osal_sem_up(osal_semaphore *sem)	生产者/ISR	V 操作——释放信号量，count+1（可在 ISR 中调）	osal_semaphore.h

案例说明

做什么

生产者任务每 1 秒完成一次模拟工作，通过 sem_up 通知消费者。消费者阻塞在 sem_down 上等待，被唤醒后打印通知序号。最简同步模式——不涉及数据传递，专注演示信号量的"通知"语义。

需要传递数据（而不仅是通知）的场景，请阅读下一篇：消息队列。

规格与功能

规格项	生产者任务	消费者任务
优先级	OSAL_TASK_PRIORITY_MIDDLE（6）	OSAL_TASK_PRIORITY_LOW（10）
栈大小	2048 字节	2048 字节
职责	模拟工作 1s → sem_up 通知	sem_down 阻塞等待 → 打印计数
信号量初值	0（消费者初始阻塞）
同步方式	纯信号量，不涉及数据传递

程序运行流程：

1. 入口创建信号量（初值 0）→ 创建消费者任务 → 创建生产者任务
2. 消费者先运行 → sem_down 阻塞（count=0，进入等待）
3. 生产者运行 → osal_msleep(1000) → sem_up → 消费者被唤醒
4. 消费者打印 → 再次 sem_down → 继续等待下一个通知

案例流程

sequenceDiagram
    participant E as 入口
    participant C as 消费者 prio=10
    participant P as 生产者 prio=6
    participant S as 信号量

    E->>S: osal_sem_init g_sem 0
    Note over S: count=0
    E->>C: 创建消费者任务
    E->>P: 创建生产者任务

    activate C
    C->>S: osal_sem_down count=0 阻塞
    Note over C: 休眠等待...

    activate P
    Note over P: 高优先级 抢到CPU
    P->>P: osal_msleep 1000 模拟工作
    P->>S: osal_sem_up count=1
    Note over S: 唤醒消费者
    deactivate P

    S-->>C: 获醒
    C->>C: printf notified count
    C->>S: osal_sem_down count=0 再次阻塞
    deactivate C

案例操作指导

第一步：编译

fbb build ws63-liteos-app

第二步：烧录

第三步：验证

上电后串口每秒输出一行：

[consumer] notified: 1
[consumer] notified: 2
[consumer] notified: 3
...

数字从 1 开始持续递增，说明每次 sem_up 都成功唤醒了消费者。

关键配置

参数	值	说明
信号量初值	0	消费者初始阻塞，等生产者第一次 up
生产者优先级	MIDDLE（6）	比消费者高，确保工作完成后优先通知
消费者优先级	LOW（10）	后台任务，被通知后才运行
sem_down 调用上下文	仅任务	ISR 中不能调 sem_down（没非阻塞版本）
sem_up 调用上下文	任务或 ISR	ISR 中通知任务的标准方式

代码详解

信号量初始化

#include "osal_semaphore.h"

static osal_semaphore g_sem;  // 信号量对象

/* 入口中初始化 */
osal_sem_init(&g_sem, 0);
/* 初值 0: 消费者一开始调用 sem_down 就会阻塞
   初值 1: 消费者第一次 sem_down 立即通过（相当于"已经有一次通知"）
   初值 3: 用于资源管理——3 个空闲缓冲区 */

生产者任务

static int producer_task_handler(void *data)
{
    (void)data;
    while (1) {
        osal_msleep(1000);        // 模拟"完成工作"（实际可能是等传感器/等DMA）
        osal_sem_up(&g_sem);      // 通知——"数据好了!"
        /* sem_up 可在 ISR 中调用，所以这个模式同样适用于中断→任务的场景 */
    }
    return 0;
}

消费者任务

static int consumer_task_handler(void *data)
{
    (void)data;
    int count = 0;
    while (1) {
        osal_sem_down(&g_sem);    // 阻塞等待——没通知时休眠
        /* sem_down 不能在 ISR 中调用——ISR 不能阻塞 */
        count++;
        printf("[consumer] notified: %d\n", count);
    }
    return 0;
}

二值信号量 vs 计数信号量的代码对比

/* ===== 二值信号量：任务同步 ===== */
osal_sem_init(&binary_sem, 0);
// 生产者: osal_sem_up(&binary_sem);
// 消费者: osal_sem_down(&binary_sem);
// 用途: "有新数据了", "操作完成了"

/* ===== 计数信号量：资源管理 ===== */
osal_sem_init(&count_sem, 3);   // 3 个空闲缓冲区
// 申请缓冲区: osal_sem_down(&count_sem);  // 计数-1，到 0 则阻塞
// 释放缓冲区: osal_sem_up(&count_sem);    // 计数+1
// 用途: 跟踪可用资源数量

为什么信号量叫"计数"信号量？因为 count 可以 >1——每次 up 加 1，每次 down 减 1，count 降到 0 时 down 阻塞。互斥锁的"计数"只能是 0 或 1。

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