4.1 同步原语

4.1 同步原语

本节摘要：同步原语控制「谁在什么条件下可以继续跑」。本节讲清临界区的三级保护手段、信号量与互斥量的本质区别、计数信号量的两类用法与事件组的多条件等待，并给出一套按场景选型的矩阵。

想象这样一个瞬间：采样任务刚把一个浮点值写到缓冲区的前一半，处理任务被唤醒，把前后两半拼在一起读走——它读到的是半个新值半个旧值。这类竞态不挑场合，只挑概率，于是总在实验室不出现、在客户现场高发。本节是第四章的第一节，目标是把「让两个执行流按约定顺序行动」的全部原语摊开讲透，下一节再谈数据本身的搬运。

临界区与三级保护

被多个执行流访问、且至少有一方在写的内存区域叫共享资源，访问它的代码段叫临界区。保护临界区有三级手段，强度与代价递增。

第一级是关中断，最硬也最霸道：处理器不再响应任何中断，截止期管理的根基被暂时拔掉，因此持有关中断的时间必须短到微秒级。适合保护「几行寄存器读写」这种极短操作。第二级是暂停调度：中断照常响应，但调度器不再切换任务，中断服务程序里若访问共享数据仍会竞态。适合纯任务间的短临界区。第三级是互斥量：粒度最细、持锁时间可以较长，还附带优先级继承，是任务间共享资源的默认选择：

/* 三级保护的典型用法 */
void vSensorWrite(float value)
{
    taskENTER_CRITICAL();        /* 一级：短寄存器序列可用 */
    REG_SAMPLE_CFG |= CFG_MASK;
    REG_SAMPLE_CFG &= ~CFG_MASK;
    taskEXIT_CRITICAL();

    xSemaphoreTake(xCfgMutex, portMAX_DELAY);   /* 三级：长临界区 */
    g_calibration.offset = value * g_calibration.gain;
    g_calibration.ready  = pdTRUE;
    xSemaphoreGive(xCfgMutex);
}
​

纪律只有一条：临界区里不要调用可能阻塞的函数。抱着互斥量再等队列，等于把三把锁缠成一团，4.3 节的死锁正是从这里长出来的。

信号量与互斥量：长得像，不是一回事

这是本章最容易混淆、面试与事故中出现率都最高的一对。二值信号量只有「有、无」两种状态，语义是事件是否发生：中断给一个、任务等一个，谁「给」的都行，没有归属者。互斥量的语义是资源的独占权：谁加的锁必须由谁解，内核为此记录持有者。三个由此产生的硬性差别：

其一，互斥量支持优先级继承——低优先级任务持锁时，内核临时把它提升到等锁最高任务的优先级，堵住 4.3 节要讲的优先级反转；信号量没有持有者概念，无从继承。其二，互斥量禁止在中断里使用（持有者必须是任务），而信号量的给出天然属于中断。其三，互斥量支持递归持有——同一任务可重复加锁、等量解锁，适合函数多层调用都要持锁的代码结构。

结论可以背下来：保护共享资源用互斥量，同步事件通知用信号量。把二值信号量当锁用，系统多数时候正常，直到低优先级任务偶然拿着「锁」被中等优先级任务插队——反转现场就此成型。

计数信号量的两个身份

把二值扩展成计数，得到两种经典用法。当资源池计数器用：池里有五个缓冲区，信号量初值设五，取一块减一、还一块加一，取到零即排队等待——资源的数量约束变成了内核管理的等待队列。当事件积压计数器用：中断每来一帧数据给一次，任务一次取走处理，计数不会因任务暂时忙不过来而丢失事件个数（丢的是细节，保的是次数）。

/* 中断侧：事件到达即计数 */
void USART_IRQHandler(void)
{
    BaseType_t xHigher = pdFALSE;
    uint8_t byte = REG_USART_RX;
    xSemaphoreGiveFromISR(xRxCountSem, &xHigher);
    portYIELD_FROM_ISR(xHigher);        /* 需要时在出口切换 */
}

/* 任务侧：逐个取出处理，天然串行化 */
void vRxTask(void *arg)
{
    for (;;) {
        xSemaphoreTake(xRxCountSem, portMAX_DELAY);
        vHandleOneByte();
    }
}
​

注意中断侧的两个规矩：只能调用带 FromISR 后缀的版本；给出后用端口宏在出口统一请求切换——这就是 2.1 节说的「先记账、后切换」。

事件组：多个条件同时成立才放行

信号量表达「一件事发生了」，事件组表达「若干件事的与、或组合」。把每个事件编码成一位，任务可以等待「位一与位三同时置起」或「位二或位五任一置起」，典型如设备启动流程：网络就绪、传感器自检通过、配置加载完成，三者齐备才允许进入运行态。相比「三个信号量轮流等」，事件组把多条件等待变成一次原子判断，避免了「等齐的过程中条件又变化」的缝隙。

图：同步原语选型矩阵

本节要点回顾

• 临界区三级保护按强度与代价递增：关中断、暂停调度、互斥量；
• 临界区内禁止阻塞调用，这是预防死锁的第一条纪律；
• 信号量传事件、互斥量管独占，持有者概念决定了两者的全部差异；
• 优先级继承只存在于互斥量，把信号量当锁用等于裸奔进 4.3 节的陷阱；
• 计数信号量一物两用：资源池计数与事件积压计数；
• 多条件同时满足的等待交给事件组，别用多个信号量手工拼接。

常见问题

问：临界区到底多短算短？ 给一个可操作的标尺：关中断临界区以「几十条指令、微秒级」为限，因为它直接抬高全系统中断延迟的下限；互斥量持锁时间以「毫秒级」为上限，超过就应重新审视设计——持锁过久是反转与死锁风险的放大器。

问：递归互斥量什么时候用？ 函数调用链多层都要持同一把锁、又不想把锁一路传递时。它是便利性与复杂度的交易：递归计数掩盖了「到底谁持有」的细节，滥用会让锁的边界模糊。优先重构调用结构，实在拆不开再用递归。

问：事件组与全局标志位变量有什么区别？ 标志位加轮询是事件组的穷人版：它没有原子性（读改写之间条件可能变化）、没有等待队列（全靠轮询）。事件组把「条件齐备即唤醒」做成原子操作，语义与效率都不可同日而语。

问：同一把锁能既在任务又在中断里用吗？ 不能。中断没有阻塞等待的能力，需要互斥的中断共享数据只有关中断一类手段。设计时把「中断写、任务读」的数据改成队列传递，绕开这道墙——这正是 4.2 节管线的又一价值。

一个综合小练习

拿一个真实场景串起本节：多路传感器 DMA 半块完成中断要通知处理任务、处理任务要与显示任务共享一帧结果、启动流程要求传感器自检与配置加载都完成后才允许运行。正确组合是：DMA 中断用计数信号量或直接队列投递（FromISR 版本）；处理与显示任务间用互斥量保护帧并开继承；启动门槛用事件组按位等待。三种原语各就各位——选型的意义不是记住名字，是让每个约束都由最合适的机制承担。