互斥量的工作机制和互斥量控制块

互斥量是一种线程同步机制，用于保护共享资源不被多个线程同时访问和修改。其工作机制是在访问共享资源之前，线程必须先获得互斥量的锁；在访问结束后，线程必须释放锁，以便其他线程可以获得锁并访问共享资源。

互斥量有一个控制块（Mutex Control Block，MCB），用于管理互斥量的状态和操作。MCB中包含了锁定状态、等待队列、持有者线程等信息。当一个线程请求获得互斥量的锁时，如果互斥量当前已经被其他线程锁定，则该线程会被加入到等待队列中，并进入阻塞状态。当互斥量的持有者释放锁时，等待队列中的一个线程会被唤醒，并尝试重新获得锁。

互斥量的控制块是由操作系统内核维护的。在Linux中，互斥量的控制块称为mutex，每个mutex有一个spinlock用于保护控制块的原子操作，同时还有一个等待队列用于管理等待锁的线程。在Windows中，互斥量的控制块称为mutex对象，每个mutex对象包含了一个互斥量标记、一个计数器和一个等待队列。

相关问题

信号量的工作机制和信号量控制块

信号量是操作系统提供的一种用于进程间同步和互斥的机制。它通常由一个计数器和一个等待队列组成。

当一个进程需要访问共享资源时，它会尝试获取信号量。如果信号量的值大于0，则进程可以继续执行，并将信号量的计数器减1。如果信号量的值等于0，则进程会被阻塞，直到有其他进程释放了信号量。当一个进程释放了信号量时，信号量的计数器会加1，并且等待队列中的一个进程会被唤醒，以便它可以继续执行。

每个信号量都有一个相关的信号量控制块，它包含了信号量的值、等待队列和其他与信号量相关的信息。操作系统会维护一个全局的信号量控制块表，其中包含了所有信号量的控制块。当一个进程请求一个信号量时，操作系统会检查该信号量是否存在于信号量控制块表中，并在必要时创建一个新的信号量控制块。

通过使用信号量，进程可以实现对共享资源的互斥访问，防止多个进程同时访问同一个资源，从而保证了系统的稳定性和可靠性。

请结合源码讲解FreeRTOS 中是如何实现基于优先级的互斥信号量的？

FreeRTOS 中基于优先级的互斥信号量的实现主要依赖于任务调度器和任务控制块（TCB）。

首先，FreeRTOS 中的互斥信号量是一种用于任务间同步的基本机制。当一个任务需要访问某个共享资源时，它会尝试获取该互斥信号量。如果该信号量当前没有被占用，则任务可以获得该信号量并访问共享资源。如果该信号量已被其他任务占用，则当前任务需要等待，直到该信号量被释放。

基于优先级的互斥信号量的实现主要涉及以下几个关键点：

1. 任务的优先级

在 FreeRTOS 中，每个任务都有一个优先级，范围从 0 到 configMAX_PRIORITIES - 1（默认为 5）。任务的优先级越高，它在任务调度器中的调度优先级也越高。

2. 互斥信号量的状态

FreeRTOS 中的互斥信号量的状态可以分为两种：空闲状态和占用状态。当一个任务成功获取互斥信号量时，该信号量的状态会变为占用状态，直到该任务释放该信号量。

3. 任务的等待队列

当一个任务尝试获取一个已被占用的互斥信号量时，它会被加入到该信号量的等待队列中，等待信号量被释放。等待队列中的任务按照它们的优先级从高到低排序。

4. 任务的挂起和恢复

当一个任务在等待一个互斥信号量时，它会被挂起，并且不会参与任务调度。当该信号量被释放时，优先级最高的等待任务会被恢复，并且参与任务调度。

综上所述，FreeRTOS 中基于优先级的互斥信号量的实现可以通过以下步骤描述：

1. 初始化互斥信号量，将其状态设置为“空闲”。

2. 当一个任务需要访问共享资源时，它尝试获取该互斥信号量。如果该信号量当前没有被占用，则该任务可以获得该信号量，并访问共享资源。否则，该任务会被加入到该信号量的等待队列中，并被挂起。

3. 当该信号量被释放时，优先级最高的等待任务会被恢复，并且参与任务调度。如果等待队列中没有任务，则该信号量的状态会被设置为“空闲”。

4. 当一个任务释放该互斥信号量时，该信号量的状态会被设置为“空闲”，并且优先级最高的等待任务会被恢复，并且参与任务调度。

在实现过程中，需要注意以下几点：

1. 任务的优先级应该根据应用场景进行合理设置，以确保高优先级任务能够及时访问共享资源。

2. 等待队列中的任务应该按照它们的优先级从高到低排序，以确保优先级高的任务能够及时访问共享资源。

3. 由于等待队列中的任务被挂起时不参与任务调度，需要确保等待队列中的任务不会长时间等待，否则可能会导致任务饥饿问题。

4. 当多个任务同时尝试获取同一个互斥信号量时，需要确保只有一个任务能够成功获取该信号量，并访问共享资源。