【嵌入式八股13】RTOS

一、线程间通信

进程拥有独立的地址空间，各进程之间相互隔离；而线程则共享所属进程的地址空间，这使得线程间通信在一定程度上更为便捷。线程间通信常用的方式包括信号、互斥锁、读写锁、自旋锁、条件变量和信号量等。

由于线程共享进程的全局内存区域，其中涵盖初始化数据段、未初始化数据段以及堆内存段等，所以线程之间能够方便、快速地共享信息，只需将数据复制到共享（全局或堆）变量中即可。然而，为了保证数据的一致性和正确性，必须考虑线程的同步和互斥问题，常见的技术手段如下：

信号：在 Linux 系统中，可使用 pthread_kill() 函数向线程发送信号，以此实现线程间的异步通知和简单交互。
互斥锁：其作用是确保在同一时刻仅有一个线程能够访问共享资源。当互斥锁被某个线程占用时，其他试图加锁的线程会进入阻塞状态（即释放 CPU 资源，由运行状态转变为等待状态）。当锁被释放时，哪个等待线程能够获得该锁则取决于内核的调度策略。
读写锁：读写锁具有独特的特性，当以写模式加锁且处于写状态时，任何试图加锁的线程（无论是读线程还是写线程）都会被阻塞；而当以读状态模式加锁且处于读状态时，“读”线程不会被阻塞，“写”线程则会被阻塞，即读模式下共享，写模式下互斥。
自旋锁：当线程尝试获取自旋锁受阻时，不会进入阻塞状态，而是在循环中不断轮询查看能否获得该锁。这种方式由于没有线程的切换，所以不存在切换开销，但会持续占用 CPU 资源，可能导致 CPU 资源的浪费。因此，自旋锁适用于并行结构（多个处理器）或者锁被持有时间较短且不希望因线程切换产生开销的场景。
条件变量：条件变量能够以原子的方式阻塞线程，直到某个特定条件变为真时为止。对条件的测试需要在互斥锁的保护下进行，并且条件变量总是与互斥锁配合使用，以确保数据的一致性和线程的正确执行。
信号量：信号量本质上是一个非负的整数计数器，主要用于实现对公共资源的控制。当公共资源增加时，信号量的值相应增加；当公共资源减少时，信号量的值随之减少。只有当信号量的值大于 0 时，线程才能够访问信号量所代表的公共资源。

二、条件变量（condition variable）

在 C++11 中，条件变量为线程同步提供了一种强大的机制。当条件不满足时，相关线程会一直处于阻塞状态，直到特定条件出现，这些线程才会被唤醒。

线程阻塞与唤醒的实现：
- 线程的阻塞是通过成员函数 wait()、wait_for() 和 wait_until() 来实现的。
- 线程的唤醒则是通过函数 notify_all() 和 notify_one() 来完成的，其中 notify_all() 会唤醒所有等待该条件变量的线程，而 notify_one() 只会唤醒一个等待的线程。
虚假唤醒问题：在理想情况下，wait 类型函数只有在被唤醒或者超时时才会返回。但在实际应用中，由于操作系统的某些原因，wait 类型函数可能会在不满足条件时就返回，这种现象被称为虚假唤醒。例如：

if (不满足 xxx 条件) {
    // 没有虚假唤醒时，wait 函数可以一直等待，直到被唤醒或者超时，程序逻辑正常。
    // 但实际中存在虚假唤醒，这会导致假设不成立，wait 函数不会继续等待，而是跳出 if 语句，
    // 从而提前执行其他代码，使程序流程出现异常。
    wait();  
}
// 其他代码
...

为了避免虚假唤醒带来的问题，在实际使用中通常会采用 while 循环来检查条件，如下所示：

while (!(xxx 条件) )
{
    // 当虚假唤醒发生时，由于 while 循环的存在，会再次检查条件是否满足，
    // 如果不满足则继续等待，从而有效解决了虚假唤醒的问题。
    wait();  
}
// 其他代码
....

生产者消费者模式案例：

#include <mutex>
#include <deque>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <condition_variable>

class PCModle {
public:
    PCModle() : work_(true), max_num(30), next_index(0) {}

    void producer_thread() {
        while (work_) {
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));

            // 加锁，确保对共享资源的访问是互斥的
            std::unique_lock<std::mutex> lk(cvMutex);
            // 当队列未满时，继续添加数据，wait 函数会在条件不满足时阻塞线程
            cv.wait(lk, [this]() { return this->data_deque.size() <= this->max_num; });

            next_index++;
            data_deque.push_back(next_index);
            std::cout << "producer " << next_index << ", queue size: " << data_deque.size() << std::endl;
            // 唤醒其他等待的线程
            cv.notify_all();
            // 自动释放锁，允许其他线程访问共享资源
        }
    }

    void consumer_thread() {
        while (work_) {
            // 加锁
            std::unique_lock<std::mutex> lk(cvMutex);
            // 检测条件是否达成，即队列是否为空
            cv.wait(lk, [this] { return!this->data_deque.empty(); });

            // 互斥操作，取出数据
            int data = data_deque.front();
            data_deque.pop_front();
            std::cout << "consumer " << data << ", deque size: " << data_deque.size() << std::endl;
            // 唤醒其他线程
            cv.notify_all();
            // 自动释放锁
        }
    }

private:
    bool work_;
    std::mutex cvMutex;
    std::condition_variable cv;
    // 缓存区，用于存储生产的数据
    std::deque<int> data_deque;
    // 缓存区最大数目
    size_t max_num;
    // 数据
    int next_index;
};

int main() {
    PCModle obj;

    std::thread ProducerThread = std::thread(&PCModle::producer_thread, &obj);
    std::thread ConsumerThread = std::thread(&PCModle::consumer_thread, &obj);

    ProducerThread.join();
    ConsumerThread.join();

    return 0;
}

三、共享内存

共享内存是一种高效的进程间通信方式。不同进程之间共享的内存通常为同一段物理内存，进程可以将同一段物理内存映射到各自的地址空间中，这样所有相关进程都能够访问共享内存中的地址。当某个进程向共享内存写入数据时，所做的改动会立即反映在共享内存中，其他能够访问同一段共享内存的进程可以立即获取到这些变化。

优点：共享内存的访问效率非常高，因为在通信过程中无需内核的介入，避免了不必要的数据复制操作，从而大大提高了数据传输的速度。
缺点：然而，共享内存没有内置的同步机制，这意味着在多个进程同时访问共享内存时，可能会出现数据竞争和不一致的问题。因此，在使用共享内存进行通信时，需要开发者手动设计和实现同步机制，以确保数据的正确性和一致性。

四、关闭中断的方式

在 Cortex-M3 和 M4 架构中，中断屏蔽寄存器主要有三种，分别是 PRIMASK、FAULTMASK 和 BASEPRI，它们各自具有不同的功能和作用：

【嵌入式八股13】RTOS

一、线程间通信

二、条件变量（condition variable）

三、共享内存

四、关闭中断的方式

全站热榜

创作者周榜