📚 课程目录第4章线程同步之信号量

4. 线程同步之信号量

任务目标

在 Zephyr RTOS 中，使用信号量（Semaphore）实现两个任务之间的同步，并演示信号量作为资源计数器的基本用法。本案例将创建两个线程：一个生产者线程周期性释放信号量，一个消费者线程获取信号量后执行处理，以此展示线程间的同步与资源计数机制。

环境依赖

本案例基于 Zephyr RTOS 3.x，使用 native_sim 或任意支持的内核模拟目标。需要确保 CONFIG_SEMAPHORE 已启用（Zephyr 默认启用）。无需额外硬件依赖。

完整实现

#include <zephyr/kernel.h>
#include <zephyr/sys/printk.h>

/* 定义信号量：最大计数为 3，初始计数为 0 */
K_SEM_DEFINE(my_sem, 0, 3);

/* 生产者线程：每 500ms 释放一个信号量 */
void producer_thread(void *arg1, void *arg2, void *arg3)
{
    ARG_UNUSED(arg1);
    ARG_UNUSED(arg2);
    ARG_UNUSED(arg3);

    while (1) {
        k_sem_give(&my_sem);
        printk("Producer: semaphore given (count=%u)\n",
               k_sem_count_get(&my_sem));
        k_sleep(K_MSEC(500));
    }
}

/* 消费者线程：获取信号量，若成功则处理 */
void consumer_thread(void *arg1, void *arg2, void *arg3)
{
    ARG_UNUSED(arg1);
    ARG_UNUSED(arg2);
    ARG_UNUSED(arg3);

    while (1) {
        k_sem_take(&my_sem, K_FOREVER);
        printk("Consumer: semaphore taken (count=%u)\n",
               k_sem_count_get(&my_sem));
        /* 模拟处理耗时 */
        k_sleep(K_MSEC(200));
    }
}

/* 定义并初始化两个线程 */
K_THREAD_DEFINE(producer_tid, 1024,
                producer_thread, NULL, NULL, NULL,
                5, 0, 0);
K_THREAD_DEFINE(consumer_tid, 1024,
                consumer_thread, NULL, NULL, NULL,
                4, 0, 0);

构建与运行

将上述代码保存为 main.c，放入一个 Zephyr 应用工程的 src 目录。
在应用目录下创建 prj.conf（本案例无需额外配置项，文件可为空或仅包含注释）。
使用以下命令构建并运行（以 native_sim 为例）：

west build -b native_sim .
west build -t run

验证方法

程序启动后，观察串口输出。预期输出模式如下（具体计数可能因调度时序略有差异）：

Producer: semaphore given (count=1)
Consumer: semaphore taken (count=0)
Producer: semaphore given (count=1)
Consumer: semaphore taken (count=0)
...

通过条件：

生产者与消费者交替打印，且消费者每次获取信号量后计数减 1，生产者释放后计数加 1。
信号量计数始终不超过 3（最大限制）。若生产者连续释放超过 3 次而消费者未及时获取，计数将饱和在 3，后续 k_sem_give 不会增加计数——可观察计数稳定在 3 来验证资源上限。
消费者使用 K_FOREVER 阻塞等待，不会出现空转忙等。

若需验证资源计数上限，可将消费者线程优先级调低或删除消费者线程，观察生产者连续释放时计数封顶在 3。

关键说明

K_SEM_DEFINE 的第三个参数为信号量最大计数，用于限制资源数量；第二个参数为初始可用计数。
生产者优先级（5）高于消费者（4），数值越小优先级越高，因此生产者会先运行并释放信号量。
本案例仅演示信号量的同步与计数功能，不涉及互斥访问共享资源；如需互斥保护，应使用互斥量（Mutex）。