使用信号量实现简单双向同步

使用信号量实现简单双向同步

概述

在前述的同步机制中，即便计数信号量、队列提供了一定的缓存消息的能力，但只要发送者的速率足够快，再长的缓存空间都有被耗尽的可能，从而导致数据丢失、覆盖的风险。

为了避免这种风险，可以通过下述方法改善这种不可靠的传输关系：
1）发送前先检测是否有可用的空间。

2）发送失败则重发，可以延时一段时间后重发，也可以弹出旧的数据后重发。

3）通过“双向同步”，协调生产者和消费者的供销关系来建立一个平衡的状态。通信的双方相互制约，生产者通过提供消息来同步消费者，消费者通过回复消息来同步生产者，即生产者必须得到消费者的回复后才能进入下一个消息的生产。

本小节重点介绍双向同步的应用与实现。

双向同步适用于两个或者多个任务相互协作完成一项大的任务。

如：打印机，命令处理任务通知启动打印任务，打印任务完成后，通知命令处理任务发送下一条命令。

需求及功能解析

信号量只提供单向同步的功能，若需双向同步，可借助两个信号量来完成。示例中，通过两个计数信号量完成任务1、任务2的双向同步，其中发送消息时打印，回复消息时打印。

示例解析

示例的 log 输出如下，其中 notify 是发送通知，ACK 是回复的确认消息：

This is esp32 chip with 2 CPU core(s), WiFi/BT/BLE, Minimum free heap size: 294424 bytes
TASK1: notify to do, flag=0
TASK2: receive notify
TASK2: send ACK, flag=0
TASK1: receive ACK
TASK1: notify to do, flag=1
TASK2: receive notify
TASK2: send ACK, flag=1
TASK1: receive ACK
TASK1: notify to do, flag=2
TASK2: receive notify
TASK2: send ACK, flag=2
TASK1: receive ACK
1
2
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4
5
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13

注意：单向同步，是说消息的发送是单向的，并不限定收发双方的数量，即示例给出的是一对一的，也可以是一对多，多对多，多对一。当多对多时：发送方并不知道具体哪个任务会收到，接受方并不知道当前的信号是由谁发送的。

讨论

单向同步适用的工作场景：

需求：某一个任务需要等待一个事件的触发，才能被执行。
应用：
1）GPIO 管脚监测报警信号，触发中断，通知任务处理报警事件
2）数据采集任务采集数据，采集后通知数据处理任务去处理数据。

双向同步适用的工作场景：

需求：通信双方需要确保通信过程交互的可靠性，完全不接收信号积压、丢失的情况。
应用：
1）网络数据转发到外设接口，并从外设接口接收响应，最后回复到网络接口的情况。
2）主程序必须等待子程序子程序执行完毕才能继续向下运行的情况。

双向同步时，两个任务的优先级仍旧是需要重点考虑的因素。

当同时创建的（两任务创建的时机也是考虑因素）两个任务实现双向同步时，任务优先级造成的不同如下：

1）任务1的优先级 > 任务2的优先级，此时是先发第一个同步信号的情况（发送优先）。任务1 发信号 A -> 任务1进入接收信号B的阻塞状态 -> 任务2开始执行 -> 任务 2 进入等信号A的状态 -> 任务2获取到信号 A继续执行 -> 任务 2 发信号 B -> 任务1 接收到信号 B -> 任务 1 重新发送信号 A。依次继续循环。

2）任务2的优先级 > 任务1的优先级，此时是先等第一个同步信号的情况（接收优先）。任务2 等信号 A -> 任务1开始执行-> 任务1发信号A -> 任务2获取到信号 A继续执行 -> 任务2发信号B -> 任务 2 重新进入等待信号A的阻塞状态 -> 任务1 接收到信号 B -> 任务 1 重新发送信号 A。依次继续循环。在接收优先的情况下，实际上可以考虑只用一个信号量A来完成也是可以的，因为优先级高的任务2在重新进入等待信号A之前，一定会占用CPU。整个同步关系变为只有接收任务处理完一次，发送任务才能继续发送下一次信号。但是在 ESP32 的双核系统中，若两个任务被分别分配在两个核心上，则可能会有不一样的情况，读者可探究这种情况下的运行情况。另外，任务之间也可以通过延时改变同步关系，比如高优先级任务发生延时，主动让低优先级任务运行。

信号量、事件组、队列均可以实现这种双向同步。其中，队列可以实现同步时附带数据、事件组可以实现多事件的双向同步。

总结

1）通过“双向同步”，可以协调生产者和消费者的供销关系来建立一个平衡的状态，避免同步信号丢失和被覆盖的情况。

2）信号量只提供单向同步的功能，若需双向同步，可借助两个信号量来完成。

3）信号量、事件组、队列均可以实现这种双向同步。其中，队列可以实现同步时附带数据、事件组可以实现多事件的双向同步。

资源链接

1）Learning-FreeRTOS-with-esp32 系列博客介绍
2）对应示例的 code 链接 （点击直达代码仓库）

3）下一篇：任务同步总结及环状同步造成的死锁