华为物联网操作系统LiteOS内核教程05-互斥锁
1. liteos的互斥锁
1.1. 互斥锁
在多任务环境下，往往存在多个任务竞争同一共享资源的应用场景，互斥锁可被用于对共享资源的保护从而实现独占式访问。互斥锁(mutex)又称互斥型信号量，是一种特殊的二值信号量，用于实现对共享资源的独占式处理。另外，huawei liteos提供的互斥锁通过优先级继承算法，解决了优先级翻转问题。
1.2. 互斥锁的使用方式
多任务环境下会存在多个任务访问同一公共资源的场景，而有些公共资源是非共享的，需要任务进行独占式处理。
互斥锁怎样来避免这种冲突呢？
在任意时刻，互斥锁的状态只有两种：开锁和闭锁。
当有任务持有时，互斥锁处于闭锁状态，这个任务获得该互斥锁的所有权。当该任务释放它时，该互斥锁被开锁，任务失去该互斥锁的所有权。当一个任务持有互斥锁时，其他任务将不能再对该互斥锁进行开锁或持有。
那么，当一个互斥锁为加锁状态时，此时其他任务如果想访问这个公共资源则会被阻塞，直到互斥锁被持有该锁的任务释放后，其他任务才能重新访问该公共资源，此时互斥锁再次上锁，如此确保同一时刻只有一个任务正在访问这个公共资源，保证了公共资源操作的完整性。
1.3. 互斥锁的使用场景
互斥锁可以提供任务之间的互斥机制，用来防止两个任务在同一时刻访问相同的共享资源。
除此之外，互斥锁还可以被用于防止多任务同步时造成优先级翻转的问题。
2. 互斥锁api
huawei liteos 系统中的互斥锁模块为用户提供创建/删除互斥锁、获取/释放互斥锁的功能。
huawei liteos 系统中提供的互斥锁 api 都是以 los 开头，但是这些 api 使用起来比较复杂，所以本文中我们使用 huawei iot link sdk 提供的统一api接口进行实验，这些接口底层已经使用 liteos 提供的api实现，对用户而言更为简洁，api列表如下：
osal的api接口声明在中，使用相关的接口需要包含该头文件，关于函数的详细参数请参考该头文件的声明。
相关的接口定义在osal.c中，基于liteos的接口实现在 liteos_imp.c文件中：
接口名 功能描述
osal_mutex_create 创建互斥锁
osal_mutex_del 删除互斥锁
osal_mutex_lock 获取互斥锁(上锁)
osal_mutex_unlock 释放互斥锁(解锁)
2.1. osal_mutex_create
osal_mutex_create接口用于创建一个互斥锁，其接口原型如下：
bool_tosal_mutex_create(osal_mutex_t*mutex) { bool_tret=false;if((null!=s_os_cb)&&(null!=s_os_cb->ops)&&(null!=s_os_cb->ops->mutex_create)) { ret=s_os_cb->ops->mutex_create(mutex); }returnret; }
该接口的参数说明如下表：
参数 描述
mutex 互斥锁索引id的地址
返回值 false - 创建失败
返回值 true - 创建成功
2.2. osal_mutex_del
osal_mutex_del接口用于删除一个互斥锁，其接口原型如下：
bool_tosal_mutex_del(osal_mutex_tmutex) { bool_tret=false;if((null!=s_os_cb)&&(null!=s_os_cb->ops)&&(null!=s_os_cb->ops->mutex_del)) { ret=s_os_cb->ops->mutex_del(mutex); }returnret; }
该接口的参数说明如下表：
参数 描述
mutex 互斥锁索引id
返回值 false - 删除失败
返回值 true - 删除成功
2.3. osal_mutex_lock
osal_mutex_lock接口用于获取一个互斥锁，其接口原型如下：
bool_tosal_mutex_lock(osal_mutex_tmutex) { bool_tret=false;if((null!=s_os_cb)&&(null!=s_os_cb->ops)&&(null!=s_os_cb->ops->mutex_lock)) { ret=s_os_cb->ops->mutex_lock(mutex); }returnret; }
参数 描述
mutex 互斥锁索引id
返回值 false - 申请失败
返回值 true - 申请成功
2.4. osal_mutex_unlock
osal_mutex_unlock接口用于释放一个互斥锁，如果有任务阻塞等待该互斥锁，则唤醒最早被阻塞的任务，该任务进入就绪态，并进行调度。
其接口原型如下：
bool_tosal_mutex_unlock(osal_mutex_tmutex) { bool_tret=false;if((null!=s_os_cb)&&(null!=s_os_cb->ops)&&(null!=s_os_cb->ops->mutex_unlock)) { ret=s_os_cb->ops->mutex_unlock(mutex); }returnret; }
该接口的参数说明如下表：
参数 描述
mutex 互斥锁索引id
返回值 false - 释放失败
返回值 true - 释放成功
3. 动手实验 —— 使用互斥锁进行资源保护
实验内容
本实验中将创建两个任务，一个低优先级任务task1，一个高优先级任务task2，两个任务之间依次对共享资源上锁、操作、解锁，在串口终端中观察两个任务的运行情况。
实验代码
首先打开上一篇使用的 helloworld 工程，基于此工程进行实验。
在demo文件夹右击，新建文件夹osal_kernel_demo用于存放内核的实验文件（如果已有请忽略这一步）。
接下来在此文件夹中新建一个实验文件osal_mutex_demo.c，开始编写代码：
/*使用osal接口需要包含该头文件*/#include/*任务优先级宏定义（shell任务的优先级为10）*/#defineuser_task1_pri12//低优先级#defineuser_task2_pri11//高优先级/*共享资源*/uint32_tpublic_value=0;/*互斥锁索引id*/osal_mutex_tpublic_value_mutex;/*任务task1入口函数*/staticintuser_task1_entry(){while(1) {/*尝试获取互斥锁*/ if(true==osal_mutex_lock(public_value_mutex)) {/*获取到互斥锁，对共享资源进行操作*/ printf(\r\ntask1:lockamutex.\r\n); public_value+=10;printf(task1:public_value=%ld.\r\n,public_value);/*对共享资源操作完毕，释放互斥锁*/ printf(task1:unlockamutex.\r\n\r\n); osal_mutex_unlock(public_value_mutex);/*满足条件则结束任务*/ if(public_value>100)break; } }/*while(1)会执行结束，所以需要返回值*/ return0; }/*任务task2入口函数*/staticintuser_task2_entry(){while(1) {/*尝试获取互斥锁*/ if(true==osal_mutex_lock(public_value_mutex)) {/*获取到互斥锁，对共享资源进行操作*/ printf(\r\ntask2:lockamutex.\r\n); public_value+=5; printf(task2:public_value=%ld.\r\n,public_value);/*对共享资源操作完毕，释放互斥锁*/ printf(task2:unlockamutex.\r\n\r\n); osal_mutex_unlock(public_value_mutex); /*满足条件则结束任务*/ if(public_value>90)break;/*优先级较高，需要挂起一下，让task1获取到互斥锁，否则task2再次上锁，形成死锁*/ osal_task_sleep(10); } }/*while(1)会执行结束，所以需要返回值*/ return0; }/*标准demo启动函数，函数名不要修改，否则会影响下一步实验*/intstandard_app_demo_main(){/*创建互斥锁public_value_mutex*/ osal_mutex_create(&public_value_mutex);/*创建任务task1*/ osal_task_create(user_task1,user_task1_entry,null,0x400,null,user_task1_pri);/*创建任务task2*/ osal_task_create(user_task2,user_task2_entry,null,0x400,null,user_task2_pri);return0; }
编写完成之后，要将我们编写的 osal_mutex_demo.c文件添加到makefile中，加入整个工程的编译：
这里有个较为简单的方法，直接修改demo文件夹下的user_demo.mk配置文件，添加如下代码：
#exampleforosal_mutex_demoifeq($(config_user_demo),osal_mutex_demo) user_demo_src=${wildcard$(top_dir)/targets/stm32l431_bearpi/demos/osal_kernel_demo/osal_mutex_demo.c} endif
添加位置如图：
这段代码的意思是：
如果 config_user_demo 宏定义的值是osal_mutex_demo，则将osal_mutex_demo.c文件加入到makefile中进行编译。
那么，如何配置 config_user_demo 宏定义呢？在工程根目录下的.sdkconfig文件中的末尾即可配置：
因为我们修改了mk配置文件，所以点击重新编译按钮进行编译，编译完成后点击下载按钮烧录程序。
实验现象
程序烧录之后，即可看到程序已经开始运行，在串口终端中可看到实验的输出内容：
linkmain:v1.2.1at11:30:59onnov282019welcometoiot_linkshell liteos:/> task2:lockamutex. task2:public_value=5. task2:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=15. task1:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=25. task1:unlockamutex. task2:lockamutex. task2:public_value=30. task2:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=40. task1:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=50. task1:unlockamutex. task2:lockamutex. task2:public_value=55. task2:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=65. task1:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=75. task1:unlockamutex. task2:lockamutex. task2:public_value=80. task2:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=90. task1:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=100. task1:unlockamutex. task2:lockamutex. task2:public_value=105. task2:unlockamutex.
可以看到，系统启动后，首先打印版本号，串口shell的优先级为10，最先打印shell信息，接下来task1先创建，但是优先级较低，所以后创建的task2抢占执行，task2获取到互斥锁，对共享资源进行操作，操作完毕解锁，然后主动挂起，task1获取到互斥锁，对共享资源进行另一个操作，操作完毕解锁，在task1操作的时候，task2早已挂起完毕，但是获取不到互斥锁，所以挂起等待，在task1解锁后，堵塞的task2被唤醒开始执行。
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1.1. 互斥锁
在多任务环境下，往往存在多个任务竞争同一共享资源的应用场景，互斥锁可被用于对共享资源的保护从而实现独占式访问。互斥锁(mutex)又称互斥型信号量，是一种特殊的二值信号量，用于实现对共享资源的独占式处理。另外，huawei liteos提供的互斥锁通过优先级继承算法，解决了优先级翻转问题。
1.2. 互斥锁的使用方式
多任务环境下会存在多个任务访问同一公共资源的场景，而有些公共资源是非共享的，需要任务进行独占式处理。
互斥锁怎样来避免这种冲突呢？
在任意时刻，互斥锁的状态只有两种：开锁和闭锁。
当有任务持有时，互斥锁处于闭锁状态，这个任务获得该互斥锁的所有权。当该任务释放它时，该互斥锁被开锁，任务失去该互斥锁的所有权。当一个任务持有互斥锁时，其他任务将不能再对该互斥锁进行开锁或持有。
那么，当一个互斥锁为加锁状态时，此时其他任务如果想访问这个公共资源则会被阻塞，直到互斥锁被持有该锁的任务释放后，其他任务才能重新访问该公共资源，此时互斥锁再次上锁，如此确保同一时刻只有一个任务正在访问这个公共资源，保证了公共资源操作的完整性。
1.3. 互斥锁的使用场景
互斥锁可以提供任务之间的互斥机制，用来防止两个任务在同一时刻访问相同的共享资源。
除此之外，互斥锁还可以被用于防止多任务同步时造成优先级翻转的问题。
2. 互斥锁api
huawei liteos 系统中的互斥锁模块为用户提供创建/删除互斥锁、获取/释放互斥锁的功能。
huawei liteos 系统中提供的互斥锁 api 都是以 los 开头，但是这些 api 使用起来比较复杂，所以本文中我们使用 huawei iot link sdk 提供的统一api接口进行实验，这些接口底层已经使用 liteos 提供的api实现，对用户而言更为简洁，api列表如下：
osal的api接口声明在中，使用相关的接口需要包含该头文件，关于函数的详细参数请参考该头文件的声明。
相关的接口定义在osal.c中，基于liteos的接口实现在 liteos_imp.c文件中：
接口名 功能描述
osal_mutex_create 创建互斥锁
osal_mutex_del 删除互斥锁
osal_mutex_lock 获取互斥锁(上锁)
osal_mutex_unlock 释放互斥锁(解锁)
2.1. osal_mutex_create
osal_mutex_create接口用于创建一个互斥锁，其接口原型如下：
bool_tosal_mutex_create(osal_mutex_t*mutex) { bool_tret=false;if((null!=s_os_cb)&&(null!=s_os_cb->ops)&&(null!=s_os_cb->ops->mutex_create)) { ret=s_os_cb->ops->mutex_create(mutex); }returnret; }
该接口的参数说明如下表：
参数 描述
mutex 互斥锁索引id的地址
返回值 false - 创建失败
返回值 true - 创建成功
2.2. osal_mutex_del
osal_mutex_del接口用于删除一个互斥锁，其接口原型如下：
bool_tosal_mutex_del(osal_mutex_tmutex) { bool_tret=false;if((null!=s_os_cb)&&(null!=s_os_cb->ops)&&(null!=s_os_cb->ops->mutex_del)) { ret=s_os_cb->ops->mutex_del(mutex); }returnret; }
该接口的参数说明如下表：
参数 描述
mutex 互斥锁索引id
返回值 false - 删除失败
返回值 true - 删除成功
2.3. osal_mutex_lock
osal_mutex_lock接口用于获取一个互斥锁，其接口原型如下：
bool_tosal_mutex_lock(osal_mutex_tmutex) { bool_tret=false;if((null!=s_os_cb)&&(null!=s_os_cb->ops)&&(null!=s_os_cb->ops->mutex_lock)) { ret=s_os_cb->ops->mutex_lock(mutex); }returnret; }
参数 描述
mutex 互斥锁索引id
返回值 false - 申请失败
返回值 true - 申请成功
2.4. osal_mutex_unlock
osal_mutex_unlock接口用于释放一个互斥锁，如果有任务阻塞等待该互斥锁，则唤醒最早被阻塞的任务，该任务进入就绪态，并进行调度。
其接口原型如下：
bool_tosal_mutex_unlock(osal_mutex_tmutex) { bool_tret=false;if((null!=s_os_cb)&&(null!=s_os_cb->ops)&&(null!=s_os_cb->ops->mutex_unlock)) { ret=s_os_cb->ops->mutex_unlock(mutex); }returnret; }
该接口的参数说明如下表：
参数 描述
mutex 互斥锁索引id
返回值 false - 释放失败
返回值 true - 释放成功
3. 动手实验 —— 使用互斥锁进行资源保护
实验内容
本实验中将创建两个任务，一个低优先级任务task1，一个高优先级任务task2，两个任务之间依次对共享资源上锁、操作、解锁，在串口终端中观察两个任务的运行情况。
实验代码
首先打开上一篇使用的 helloworld 工程，基于此工程进行实验。
在demo文件夹右击，新建文件夹osal_kernel_demo用于存放内核的实验文件（如果已有请忽略这一步）。
接下来在此文件夹中新建一个实验文件osal_mutex_demo.c，开始编写代码：
/*使用osal接口需要包含该头文件*/#include/*任务优先级宏定义（shell任务的优先级为10）*/#defineuser_task1_pri12//低优先级#defineuser_task2_pri11//高优先级/*共享资源*/uint32_tpublic_value=0;/*互斥锁索引id*/osal_mutex_tpublic_value_mutex;/*任务task1入口函数*/staticintuser_task1_entry(){while(1) {/*尝试获取互斥锁*/ if(true==osal_mutex_lock(public_value_mutex)) {/*获取到互斥锁，对共享资源进行操作*/ printf(\r\ntask1:lockamutex.\r\n); public_value+=10;printf(task1:public_value=%ld.\r\n,public_value);/*对共享资源操作完毕，释放互斥锁*/ printf(task1:unlockamutex.\r\n\r\n); osal_mutex_unlock(public_value_mutex);/*满足条件则结束任务*/ if(public_value>100)break; } }/*while(1)会执行结束，所以需要返回值*/ return0; }/*任务task2入口函数*/staticintuser_task2_entry(){while(1) {/*尝试获取互斥锁*/ if(true==osal_mutex_lock(public_value_mutex)) {/*获取到互斥锁，对共享资源进行操作*/ printf(\r\ntask2:lockamutex.\r\n); public_value+=5; printf(task2:public_value=%ld.\r\n,public_value);/*对共享资源操作完毕，释放互斥锁*/ printf(task2:unlockamutex.\r\n\r\n); osal_mutex_unlock(public_value_mutex); /*满足条件则结束任务*/ if(public_value>90)break;/*优先级较高，需要挂起一下，让task1获取到互斥锁，否则task2再次上锁，形成死锁*/ osal_task_sleep(10); } }/*while(1)会执行结束，所以需要返回值*/ return0; }/*标准demo启动函数，函数名不要修改，否则会影响下一步实验*/intstandard_app_demo_main(){/*创建互斥锁public_value_mutex*/ osal_mutex_create(&public_value_mutex);/*创建任务task1*/ osal_task_create(user_task1,user_task1_entry,null,0x400,null,user_task1_pri);/*创建任务task2*/ osal_task_create(user_task2,user_task2_entry,null,0x400,null,user_task2_pri);return0; }
编写完成之后，要将我们编写的 osal_mutex_demo.c文件添加到makefile中，加入整个工程的编译：
这里有个较为简单的方法，直接修改demo文件夹下的user_demo.mk配置文件，添加如下代码：
#exampleforosal_mutex_demoifeq($(config_user_demo),osal_mutex_demo) user_demo_src=${wildcard$(top_dir)/targets/stm32l431_bearpi/demos/osal_kernel_demo/osal_mutex_demo.c} endif
添加位置如图：
这段代码的意思是：
如果 config_user_demo 宏定义的值是osal_mutex_demo，则将osal_mutex_demo.c文件加入到makefile中进行编译。
那么，如何配置 config_user_demo 宏定义呢？在工程根目录下的.sdkconfig文件中的末尾即可配置：
因为我们修改了mk配置文件，所以点击重新编译按钮进行编译，编译完成后点击下载按钮烧录程序。
实验现象
程序烧录之后，即可看到程序已经开始运行，在串口终端中可看到实验的输出内容：
linkmain:v1.2.1at11:30:59onnov282019welcometoiot_linkshell liteos:/> task2:lockamutex. task2:public_value=5. task2:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=15. task1:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=25. task1:unlockamutex. task2:lockamutex. task2:public_value=30. task2:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=40. task1:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=50. task1:unlockamutex. task2:lockamutex. task2:public_value=55. task2:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=65. task1:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=75. task1:unlockamutex. task2:lockamutex. task2:public_value=80. task2:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=90. task1:unlockamutex. task1:lockamutex. task1:public_value=100. task1:unlockamutex. task2:lockamutex. task2:public_value=105. task2:unlockamutex.
可以看到，系统启动后，首先打印版本号，串口shell的优先级为10，最先打印shell信息，接下来task1先创建，但是优先级较低，所以后创建的task2抢占执行，task2获取到互斥锁，对共享资源进行操作，操作完毕解锁，然后主动挂起，task1获取到互斥锁，对共享资源进行另一个操作，操作完毕解锁，在task1操作的时候，task2早已挂起完毕，但是获取不到互斥锁，所以挂起等待，在task1解锁后，堵塞的task2被唤醒开始执行。
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