4. 线程同步之信号量

任务目标

本案例在 Zephyr RTOS 中使用信号量实现两个核心功能：任务同步（一个任务等待另一个任务完成某动作）与资源计数（有限数量资源的分配与释放）。通过经典的生产者-消费者问题来验证信号量的正确性：生产者任务生成数据放入共享缓冲区，消费者任务取出数据，两者通过信号量协调，确保消费者不会在缓冲区为空时取数据，生产者不会在缓冲区满时放数据。

环境与依赖

• Zephyr RTOS 3.x 及以上版本
• 开发板：任意支持 Zephyr 的板卡（本文以 qemu_x86 为例）
• 所需头文件：zephyr/kernel.h、zephyr/sys/printk.h

核心实现

使用两个信号量：empty_sem 表示缓冲区空位数量（初始为缓冲区大小），full_sem 表示缓冲区中已填充的数据数量（初始为0）。生产者每次放入数据前获取 empty_sem，放入后释放 full_sem；消费者对称操作。这样信号量天然实现了同步与互斥，无需额外锁保护缓冲区索引（单生产者单消费者场景下）。

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

#define BUF_SIZE 4

/* 共享缓冲区 */
static int buffer[BUF_SIZE];
static int write_idx = 0;
static int read_idx = 0;

/* 信号量：empty 计数空位，full 计数数据项 */
K_SEM_DEFINE(empty_sem, BUF_SIZE, BUF_SIZE);
K_SEM_DEFINE(full_sem, 0, BUF_SIZE);

/* 生产者线程 */
void producer_thread(void *arg1, void *arg2, void *arg3)
{
    int item = 0;
    ARG_UNUSED(arg1);
    ARG_UNUSED(arg2);
    ARG_UNUSED(arg3);

    while (1) {
        /* 等待空位（若缓冲区满则阻塞） */
        k_sem_take(&empty_sem, K_FOREVER);

        /* 放入数据 */
        buffer[write_idx] = item;
        write_idx = (write_idx + 1) % BUF_SIZE;
        printk("Producer: put item %d\n", item);
        item++;

        /* 通知消费者有新数据 */
        k_sem_give(&full_sem);

        k_sleep(K_MSEC(500));  /* 模拟生产耗时 */
    }
}

/* 消费者线程 */
void consumer_thread(void *arg1, void *arg2, void *arg3)
{
    int item;
    ARG_UNUSED(arg1);
    ARG_UNUSED(arg2);
    ARG_UNUSED(arg3);

    while (1) {
        /* 等待数据（若缓冲区空则阻塞） */
        k_sem_take(&full_sem, K_FOREVER);

        /* 取出数据 */
        item = buffer[read_idx];
        read_idx = (read_idx + 1) % BUF_SIZE;
        printk("Consumer: got item %d\n", item);

        /* 释放空位 */
        k_sem_give(&empty_sem);

        k_sleep(K_MSEC(1000));  /* 模拟消费耗时 */
    }
}

/* 定义并启动线程 */
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,
                5, 0, 0);

void main(void)
{
    printk("Semaphore producer-consumer demo started\n");
    /* 线程已由 K_THREAD_DEFINE 自动启动，main 仅作提示 */
}

构建与运行

1. 将上述代码保存为 main.c，放入一个 Zephyr 应用工程的 src 目录（工程需包含 prj.conf，本案例无需额外配置）。
2. 在应用根目录执行：

west build -b qemu_x86 .
west build -t run

验证方法

观察串口输出，应满足以下条件即判定通过：

• 输出中出现 Producer: put item N 与 Consumer: got item N，且同一编号 N 的 put 必然先于 got 出现（消费者不会取到未生产的数据）。
• 由于消费者休眠时间（1秒）是生产者（0.5秒）的两倍，缓冲区会逐渐填满。当缓冲区满时，生产者会阻塞等待空位，表现为输出中连续出现多个 Consumer: got 后才有下一个 Producer: put，证明信号量正确限制了生产者写入速度。
• 程序持续运行不崩溃、不死锁，编号 N 单调递增无重复或跳号。

预期输出片段（前几行，实际输出因调度时序略有差异）：

Semaphore producer-consumer demo started
Producer: put item 0
Consumer: got item 0
Producer: put item 1
Producer: put item 2
Consumer: got item 1
...

关键说明

• 信号量 empty_sem 初始计数为 BUF_SIZE（4），最大也为4，表示缓冲区初始有4个空位；full_sem 初始为0，表示无数据。
• 本例为单生产者单消费者，因此无需额外互斥锁保护索引变量。若扩展为多生产者/多消费者，需增加互斥量保护 write_idx/read_idx 的更新。
• 线程栈大小1024字节足够本案例使用；优先级5为协作式优先级，两个线程同优先级时按时间片轮转。