信号量（Semaphore）是操作系统上极为常用的一种同步机制。本篇文章通过解析AliOS Things内核源码来学习信号量机制。
在AliOS Things中信号量的源码路径如下
信号量源码位置：core/rhino/k_sem.c
信号量头文件位置：core/rhino/include/k_sem.h
1、信号量结构体ksem_t
k_sem.h头文件定义了信号量结构体ksem_t。信号量相关的函数都基于该结构体，所以我们首先分析一下该结构体，其具体定义如下：
typedef struct sem_s {
blk_obj_t blk_obj;
sem_count_t count;
sem_count_t peak_count;
if (RHINO_CONFIG_KOBJ_LIST > 0)
klist_t sem_item; /*< kobj list for statistics /
endif
uint8_t mm_alloc_flag; /*< buffer from internal malloc or caller input /
} ksem_t;
成员说明：
（1）blk_obj 这是内核的一个基础结构体，用于管理内核结构体的基本信息。用面向对象的思想来看，它相当于ksem_t的父类。它的主要域有：blk_list阻塞队列，name对象名字，blk_policy阻塞队列等待策略（主要有优先级（PRI）和先入先出（FIO）两种），obj_type结构体类型；
（2）count记录了信号的个数；
（3）peak_count是一个统计值，记录了系统运行过程中该信号量的最高信号个数。
（4）sem_item是一个链表节点，用来把信号量插入到全局链表，主要用作调试、统计。
（5）mm_alloc_flag是一个内存标记，用来表示该结构体的内存是静态分配的还是动态分配的。
2、创建信号量函数sem_create
创建信号量的核心函数是sem_create，它的原型如下：
static kstat_t sem_create(ksem_t sem, const name_t name, sem_count_t count,
uint8_t mm_alloc_flag);
参数含义：
sem：信号量结构体指针；
name：信号量名字，用户可以为自己的信号量指定名字，以便于调试区分；
count：初始信号个数；
mm_alloc_flag：内存类型，即sem指向的内存是静态分配的还是动态分配的。若为动态分配，则在删除信号量时需要释放sem指向的结构体内存。
在该函数内：
（1）首先用语句CPSR_ALLOC()定义一个内部变量，该变量被临界区语句RHINO_CRITICAL_ENTER()/RHINO_CRITICAL_EXIT()使用。在单核上临界区用关中断保护，因此CPSR_ALLOC()其实就是定义一个保存中断状态的变量。RHINO_CRITICAL_ENTER()将读取当前中断状态并保存下来，然后关中断。RHINO_CRITICAL_EXIT()将恢复中断状态。所以按如下方式进入/退出临界区：
CPSR_ALLOC();
RHINO_CRITICAL_ENTER(); //进入临界区
…… //临界区
RHINO_CRITICAL_EXIT(); //退出临界区
在sem_create函数中，用来保护对全局链表的访问。
klist_insert(&(g_kobj_list.sem_head), &sem->sem_item); //把信号量结构体插入全局链表
（2）NULL_PARA_CHK()宏用来做指针非空检查。若发现传入的sem或name指针为NULL，将直接返回。
（3）接下来将初始化信号量结构体。阻塞策略被初始化为BLK_POLICY_PRI，意思是当有多个任务阻塞在信号量上时，高优先级任务优先获得信号量。另外一种策略是BLK_POLICY_FIFO，即先阻塞的任务优先获得信号量。ksem_t被初始化的类型为RHINO_SEM_OBJ_TYPE。
函数krhino_sem_create()和krhino_sem_dyn_create()是创建信号量的对外接口，两者的差别是前者是静态创建（K_OBJ_STATIC_ALLOC），即ksem_t结构体的内存由外部传入。后者是动态创建（K_OBJ_DYN_ALLOC），该函数内将调用krhino_mm_alloc动态分配ksem_t结构体的内存，并通过入参sem把创建的结构体对象传给调用者，所以入参sem的类型是ksem_t **。
分析信号量创建函数的源码，我们可以得出信号量的第一个特点：创建信号量时可以指定初始信号量个数。
3、请求信号量函数krhino_sem_take
函数krhino_sem_take用于请求信号量。该函数原型为：
kstat_t krhino_sem_take(ksem_t *sem, tick_t ticks)；
参数说明：
（1）sem 指向信号量结构体的指针；
（2）ticks 阻塞时间。如果当前没有信号量，任务最多阻塞ticks个系统时钟。两个特殊值是：(a)RHINO_NO_WAIT，若当前没有信号量则直接返回;(2) RHINO_WAIT_FOREVER，一直阻塞任务直到获得信号量为止。
在该函数内：
（1）NULL_PARA_CHK(sem);检查入参sem是否为NULL，如果为NULL直接退出函数；
（2）RHINO_CRITICAL_ENTER();用于进入临界区，因为多个任务可能同时访问sem结构体，所以需要临界区保护；
（3）调用cpu_cur_get()用来获得当前核号，这是为了支持多核架构。单核处理器上，这个函数返回0；
（4）TASK_CANCEL_CHK(sem)用来检查当前任务是否已经被终止。INTRPT_NESTED_LEVEL_CHK()用来检查是否在中断上下文。中断处理函数不允许被阻塞，所以不能调用krhino_sem_take()；
（5）条件判断语句if (sem->blk_obj.obj_type != RHINO_SEM_OBJ_TYPE)用来检查sem类型是否为RHINO_SEM_OBJ_TYPE。这可以避免信号量结构体被删除后误用；
（6）现在正式进入到申请信号量的逻辑。如果sem->count大于0，说明当前有信号量，那么sem->count减1后返回即可，申请成功。当然，返回前要用语句RHINO_CRITICAL_EXIT();退出临界区；
（7）如果当前没有信号量，且等待时间为RHINO_NO_WAIT，那么直接返回，申请失败；
（8）剩下的情况是：当前没有信号量，调用者想等待一段时间，直到超时或者获得信号量。条件判断g_sched_lock[cur_cpu_num] > 0u用来检查当前是否允许调度。由于后续代码将挂起当前任务，并调度到其他任务。因此若g_sched_lock[cur_cpu_num] > 0u（不允许调度）那么就不能执行下面的代码了，直接退出临界区并返回；
（9）语句pend_to_blk_obj将置当前任务为非就绪态；
（10）语句RHINO_CRITICAL_EXIT_SCHED();将退出临界区并触发调度。这里将切换到其他任务，直到超时或者有任务释放信号量并唤醒当前任务；
（11）语句pend_state_end_proc用来做唤醒后的处理，主要是判断因为什么原因被唤醒：获得了信号量或超时到期或信号量被删除等。调用krhino_sem_take的地方可以根据返回值决定后续操作；
4、释放信号量函数sem_give
这个接口也被称为发送信号量。函数原型如下：
static kstat_t sem_give(ksem_t *sem, uint8_t opt_wake_all)
参数说明：
（1）sem 指向信号量结构体的指针；
（2）opt_wake_all 唤醒一个等待任务（WAKE_ONE_SEM）还是唤醒所有任务（WAKE_ALL_SEM）。
在该函数内：
（1）RHINO_CRITICAL_ENTER();用于进入临界区，因为多个任务可能同时访问sem结构体，所以需要临界区保护。
（2）条件判断语句if (sem->blk_obj.obj_type != RHINO_SEM_OBJ_TYPE)用来检查sem类型是否为RHINO_SEM_OBJ_TYPE。这可以避免信号量结构体被删除后误用。
（3）函数cpu_cur_get()用来获得当前核号，这是为了支持多核架构。单核处理器上，这个函数返回0。
（4）条件语句if (is_klist_empty(blk_list_head))用来判断阻塞队列是否为空，即当前没有任务阻塞在该信号量上。这种情况下，处理比较简单，信号量个数加1即可。
这里先做了一个错误检查，如果sem->count == (sem_count_t)-1说明系统出现问题了。如果没有问题，则信号量个数加1：
sem->count++;
如果sem->count大于sem->peak_count将更新sem->peak_count，以记录历史最高信号量个数。
（5）如果有任务正在等待该信号量，那么不用对sem->count加1了，直接唤醒任务消耗掉该信号量即可。这里又分为两种情况：如果opt_wake_all不为0（WAKE_ALL_SEM），则调用pend_task_wakeup唤醒所有任务。否则只唤醒一个任务。
对外接口函数krhino_sem_give/krhino_sem_give_all都调用sem_give释放信号量，两者的差别是，前者只唤醒一个阻塞任务，后者将唤醒所有阻塞任务。
分析信号量释放函数的源码，我们可以得出信号量的另外两个特点：
第二个特点：信号量请求和释放不需要成对出现，没有获得信号量也可以释放信号量。所以中断处理函数可以释放信号量，这常用在中断与任务之间的同步。
第三个特点：可以唤醒所有阻塞的在该信号量上的任务。
5、删除信号量函数krhino_sem_del/krhino_sem_dyn_del
krhino_sem_dyn_del用来删除krhino_sem_dyn_create创建的信号量。krhino_sem_del用来删除krhino_sem_create创建的信号量。这两组函数必须配套使用，否则将出现严重问题。
krhino_sem_dyn_del相比krhino_sem_del多了一步释放信号量结构体的操作，这里我们分析krhino_sem_dyn_del函数：
（1）函数入口处和前面的函数处理类似，主要是做一些正确性检查；
（2）sem->blk_obj.obj_type = RHINO_OBJ_TYPE_NONE设置结构体的类型为NONE。该语句的好处是，若信号量释放后被误用，能被检测出来。
（3）循环语句调用pend_task_rm函数唤醒所有阻塞在该信号量上的任务。如果没有这步操作，一旦信号量被删除，等待该信号量的任务将永远都不会被唤醒了。
（4）语句klist_rm(&sem->sem_item);用于把信号量结构体从全局g_kobj_list.sem_head链表删除；
（5）最后退出临界区，并调用krhino_mm_free释放信号量结构体的内存空间。
分析信号量删除函数的源码，我们可以看到使用信号量的一个注意点：
若任务调用krhino_sem_take()被阻塞了，那么当删除信号量时将唤醒该任务，所以krhino_sem_take()返回时不代表一定获得了信号量，应判断返回值是否为RHINO_SUCCESS。
6、示例
在该示例中，任务2每隔1秒发送一个信号量。任务1请求信号量，收到信号量后打印一行输出。
/ 定义信号量结构体/
ksem_t sem_test;
/ 定义任务相关资源/
ktask_t test_task1_tcb;
cpu_stack_t test_task1_stack[TEST_TASK_STACKSIZE];
ktask_t test_task2_tcb;
cpu_stack_t test_task2_stack[TEST_TASK_STACKSIZE];
/ 前向声明任务入口函数/
static void test_task1(void *arg);
static void test_task2(void *arg);
/ 主入口 /
int application_start(int argc, char *argv[])
{
/ 静态创建信号量，初始个数为0 /
krhino_sem_create(&sem_test, "sem_test", 0);
/ 创建两个测试任务 /
krhino_task_create(&test_task1_tcb, TEST_TASK1_NAME, 0, TEST_TASK1_PRI, 50,
test_task1_stack, TEST_TASK_STACKSIZE, test_task1, 0);
krhino_task_create(&test_task2_tcb, TEST_TASK2_NAME, 0, TEST_TASK2_PRI, 50,
test_task2_stack, TEST_TASK_STACKSIZE, test_task2, 0);
}
/ 任务1的入口 /
static void test_task1_entry(void *arg)
{
kstat_t stat;
while (1) {
/* 请求信号量*/
stat = krhino_sem_take(&sem_test, RHINO_WAIT_FOREVER);
if (stat == RHINO_SUCCESS) {
printf("revc sem\r\n");
}
}
}
/ 任务2的入口 /
static void test_task2(void *arg) {
while(1) {
/* 睡眠1s */
aos_msleep(1000);
/* 释放信号量*/
krhino_sem_give(&sem_test);
}
}
7、总结
本文分析了AliOS Things信号量源码，并总结出三个特点和一个使用注意事项。留了krhino_sem_count_get和krhino_sem_count_set两个接口未分析，有了上面的分析基础，读者可以试着自己分析一下。也希望大家以此文为契机开始阅读AliOS Things内核源码，并欢迎投稿。
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