信號(hào)量是另一種任務(wù)之間交互的機(jī)制，既可以用于控制對(duì)共享資源的訪問，也可用于任務(wù)間的同步(Synchronization)。

信號(hào)量的名字據(jù)說(shuō)來(lái)自鐵路系統(tǒng)，用于確保一段鐵軌在一段時(shí)間內(nèi)只能有一列火車通過(guò)。這種互斥訪問是通過(guò)在指定的任何時(shí)間點(diǎn)上只設(shè)置一個(gè)方向的信號(hào)燈為綠燈，其他所有方向的信號(hào)燈都為紅燈來(lái)實(shí)現(xiàn)。在1965年，荷蘭學(xué)者Edsger Dijkstra據(jù)此提出了信號(hào)量的概念，用于不同線程之間的同步和共享資源的訪問。

信號(hào)量本質(zhì)上是一個(gè)單變量（非負(fù)整數(shù)）的共享資源，如圖 1所示。

圖 1 信號(hào)量基本模型

對(duì)其有兩個(gè)基本操作：

• 獲取操作。根據(jù)操作系統(tǒng)不同，其在API中可能采用take、pend等命名。如果信號(hào)量的當(dāng)前值大于0，則其值減1，獲取成功，立即返回。如果當(dāng)前值為0，則根據(jù)API中定時(shí)時(shí)間的設(shè)定，如果定時(shí)時(shí)間大于0，則當(dāng)前任務(wù)掛起，等待信號(hào)量的當(dāng)前值大于零；如果定時(shí)時(shí)間為0，則立即失敗返回。
• 釋放操作。根據(jù)操作系統(tǒng)不同，其在API中可能采用give、post等命名。該操作將當(dāng)前信號(hào)量的值加1，然后返回。同時(shí)系統(tǒng)會(huì)檢查等待該信號(hào)量的任務(wù)，找到最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，執(zhí)行其獲取操作。

操作過(guò)程參照?qǐng)D 2的例子。

圖 2 對(duì)信號(hào)量的操作

信號(hào)量?jī)H就其本身而言，沒有什么意義，只有與某些操作聯(lián)系起來(lái)，才有意義。這些操作，可以是對(duì)某些共享資源的訪問，也可以是不同任務(wù)間的同步操作。用于不同的目的時(shí)，信號(hào)量的初值和操作流程是不同的。

首先如果信號(hào)量是一個(gè)二值變量，只能取值0或1，則根據(jù)初值的不同，可以用于任務(wù)間同步或?qū)蚕碣Y源的訪問控制。

• 如果初值為1，則可以用于對(duì)共享資源的排他訪問。對(duì)共享資源的訪問操作，稱為關(guān)鍵代碼段（Critical Section）。在某個(gè)任務(wù)訪問共享資源時(shí)，先獲取信號(hào)量，再執(zhí)行關(guān)鍵代碼段，結(jié)束后釋放信號(hào)量，如圖 3所示。獲取/釋放操作必須成對(duì)出現(xiàn)，否則就會(huì)導(dǎo)致死鎖。在有的操作系統(tǒng)（如FreeRTOS）中，用于排他訪問的，稱為互斥鎖（Mutex）。

圖 3 排他訪問流程

• 如果初值為0，則可以用于任務(wù)間的同步，如圖 4所示。

圖 4 二值信號(hào)量用于任務(wù)同步

在圖中，實(shí)線箭頭表示任務(wù)的執(zhí)行流程，虛線箭頭表示信號(hào)量值的改變過(guò)程，實(shí)線方框表示任務(wù)內(nèi)的代碼執(zhí)行，點(diǎn)劃線方框表示操作系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前任務(wù)的調(diào)度操作，點(diǎn)劃線箭頭表示信號(hào)量觸發(fā)的調(diào)度動(dòng)作。

任務(wù)2為了執(zhí)行代碼段2，必須首先獲取信號(hào)量。但此時(shí)信號(hào)量的值為0（初值），因此操作系統(tǒng)將任務(wù)2掛起，等待其他任務(wù)釋放信號(hào)量。任務(wù)1在執(zhí)行完代碼段1以后，釋放信號(hào)量。此時(shí)信號(hào)量的當(dāng)前值為1，任務(wù)2獲取信號(hào)量成功，操作系統(tǒng)喚醒任務(wù)2，開始執(zhí)行代碼段2。因此，任務(wù)2的代碼段2總是在任務(wù)1的代碼段1之后執(zhí)行。使得兩個(gè)任務(wù)的動(dòng)作完美同步。

在上圖中，還可以看到，任務(wù)2只獲取信號(hào)量，任務(wù)1只釋放信號(hào)量?？梢员ＷC在循環(huán)執(zhí)行中，上述同步動(dòng)作也得到遵守。而且，這與共享資源的排他訪問中必須成對(duì)出現(xiàn)獲取/釋放操作也完全不同。

信號(hào)量用戶同步的一個(gè)經(jīng)常的使用場(chǎng)景就是實(shí)現(xiàn)所謂的延時(shí)中斷處理（Deferred Interrupt Handler）。由于中斷處理函數(shù)一般運(yùn)行在CPU的特權(quán)級(jí)等高優(yōu)先級(jí)別，外部事件不能打斷，因此終端處理程序不能占用太長(zhǎng)的CPU運(yùn)行時(shí)間。如果外部事件引起的處理時(shí)間較長(zhǎng)，可以將它分為兩個(gè)部分：與硬件相關(guān)的需要立即執(zhí)行的處理（如寄存器的重置、狀態(tài)變量的保存等），而將其他的處理移到高優(yōu)先級(jí)Task中執(zhí)行。而中斷處理程序和任務(wù)之間，采用信號(hào)量進(jìn)行同步。移到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)中執(zhí)行的部分就是延時(shí)中斷處理。

在FreeRTOS中，為這兩類二值信號(hào)量準(zhǔn)備了不同的API：用于任務(wù)同步的叫二值信號(hào)量（Binary Semaphore），用于排他訪問的叫互斥鎖（Mutex）。

如果是一個(gè)多值信號(hào)量，同樣根據(jù)其初值的不同，可用于事件通知和資源管理。

• 如果初值大于0，則用于資源管理。與二值信號(hào)量的排他訪問類似，多值信號(hào)量用于允許一個(gè)以上的任務(wù)同時(shí)訪問、但能同時(shí)訪問的任務(wù)數(shù)有限制的共享資源的管理。其中可用的資源數(shù)量由信號(hào)量的初值指定。當(dāng)某個(gè)任務(wù)需要訪問共享資源時(shí)，其執(zhí)行流程與圖 3完全相同。

如一個(gè)用戶定義的緩存管理系統(tǒng)。假設(shè)該緩存系統(tǒng)由10個(gè)緩存構(gòu)成，用戶任務(wù)調(diào)用申請(qǐng)函數(shù)（如BufReq()）申請(qǐng)緩存，使用完后調(diào)用釋放函數(shù)（如BufRel()）釋放緩存。這樣一個(gè)系統(tǒng)就可以用多值信號(hào)量來(lái)管理。信號(hào)量的初始值設(shè)為10，每分配出一個(gè)緩存，其值減1；每釋放一個(gè)緩存，其值加1。如果緩存的申請(qǐng)數(shù)小于10時(shí)，則申請(qǐng)立即返回；如果申請(qǐng)數(shù)達(dá)到10，則新的申請(qǐng)任務(wù)就被掛起，直到有緩存被釋放。

• 如果初值等于0，則用于事件通知。此時(shí)往往還需要另外一個(gè)參數(shù)，用于指定可以記錄的最大事件數(shù)。事件記錄與處理的流程與圖 4描述的也完全類似。任務(wù)1每生成一個(gè)給任務(wù)2的事件，就調(diào)用一次釋放信號(hào)量的操作，信號(hào)量值就加1。因此信號(hào)量值實(shí)際上表示已經(jīng)生成等待任務(wù)2處理的事件數(shù)量。但信號(hào)量值大于等于1時(shí)，表示有事件等待處理。任務(wù)2通過(guò)獲取信號(hào)量，一次循環(huán)讀取一個(gè)事件，進(jìn)行處理。因此通過(guò)信號(hào)量的計(jì)數(shù)，不會(huì)導(dǎo)致事件的丟失。