255.2.6线程同步概念

本节没有新增或修改应用层业务代码。视频中展示的是通过全局搜索查看 RT-Thread 5.0.2 的 rt_thread_yield()、rt_enter_critical() 和 rt_exit_critical() 等内核实现；按照“只收录课堂业务代码、不抄入库函数源码”的要求，标题下不放置源码块。

一、线程同步概念

1.1 线程同步的概念

裸机程序通常以一个主循环配合中断运行；引入 RTOS 后，多个线程会在调度器控制下交替执行。即使本课程使用的是单核 STM32，同一时刻只有一个线程真正占用 CPU，线程仍可能在任意调度点被切换，因此多步操作之间可能穿插其他线程或中断的操作。

当多个执行流共享变量、缓冲区或外设时，如果没有约定访问次序和访问权限，就可能出现数据被覆盖、读取到半更新状态或业务步骤前后颠倒等问题。线程同步机制正是用来协调这些执行流的。

1.1.1 线程同步

线程同步是指多个线程借助特定机制建立执行次序或协作关系，使它们在满足条件时继续运行、在条件未满足时等待。同步并不表示“几个线程在同一时刻做同一件事”，也不仅仅表示固定为“线程 2 → 线程 1 → 线程 3”；它还包括资源就绪通知、生产者与消费者配合、等待多个事件等情形。

需要分清两个相近概念：

概念	关注的问题	示例
同步（synchronization）	谁应当先做、什么条件满足后谁才能继续	采集线程写完一帧数据后，显示线程才开始读取
互斥（mutual exclusion）	某段时间内谁拥有共享资源的独占访问权	多个线程访问同一个串口发送缓冲区时，只允许一个线程完成整帧操作

互斥可以看成线程同步的一种特殊形式。RT-Thread 本章重点介绍的同步对象包括信号量、互斥量和事件集：

• 信号量可以表示通知、令牌数量或可用资源数量；
• 互斥量专门用于线程之间对共享资源的互斥访问；
• 事件集用多个事件位表达一个或多个条件，可按“任一条件”或“所有条件”组合等待。

原笔记把“相同优先级线程的执行顺序”写成随机并不准确。RT-Thread 是基于优先级的抢占式调度器：更高优先级就绪线程优先运行；同优先级线程可按照就绪队列和时间片轮转。实际先后还受线程启动顺序、阻塞与唤醒时刻、系统 tick 和中断影响，因此不能依赖一次观察到的自然先后顺序表达业务约束；需要确定次序时，必须使用同步对象明确建立关系。

1.1.2 临界区

临界区（critical section）是访问共享资源、并且不能与其他冲突访问交错执行的一段代码。共享资源可能是：

• 多个线程都会读写的全局变量、链表或环形缓冲区；
• 由多条指令共同维护的一组数据不变量；
• 串口、I²C、SPI 等不能被多个调用者任意穿插操作的外设；
• 线程和中断服务程序共同访问的状态。

“临界区”强调的是访问共享资源的代码范围，不是说代码本身天然具有保护能力。只有所有竞争者都遵守同一种保护规则，互斥才会成立。

竞争条件（race condition）是指程序结果依赖不可预测的执行交错。例如两个线程同时对共享计数器执行“读取旧值 → 加一 → 写回”时，两者可能读到相同旧值，最后只增加一次。单条 C 语句也可能编译成多条机器指令，所以不能仅凭“代码只有一行”就认定操作具有原子性。

还要纠正“临界区代码不能被抢占”这一过度概括：

• 使用关中断或锁调度器保护时，当前线程在相应范围内确实不会按普通路径被其他线程抢占；
• 使用互斥量或二值信号量保护时，持锁线程仍可能被与该资源无关的更高优先级线程抢占，但其他遵守同一把锁的线程无法同时进入受保护区域，资源的一致性仍然成立。

因此，临界区真正要求的是“冲突访问不能重叠”，并非任何场景都要求 CPU 从头到尾绝不切换线程。

1.1.3 临界区的保护方式

课程列出三类保护方式。它们阻止的对象、代价和适用范围并不相同：

方式	能阻止什么	中断是否继续响应	典型用途与限制
关闭中断	当前单核 CPU 上的线程切换和受屏蔽中断对共享数据的并发访问	否	最短的底层原子操作；会增加中断延迟，必须极短
禁止调度	其他线程抢占当前线程	是	只防线程竞争，不能防 ISR 访问；临界区内不能执行会阻塞的操作
信号量/互斥量	其他遵守同一同步对象的线程进入受保护区域	是	等待者可挂起，不必全程占住 CPU；适合较长的线程级资源访问

无论采用哪一种方式，都应保证进入和退出严格配对，并让保护范围覆盖完整的一致性操作。范围过小仍会发生竞争，范围过大会增加中断延迟、调度延迟或其他线程的等待时间。

1.1.3.1 关闭中断

RT-Thread 使用以下两个底层接口保存并恢复中断状态：

• rt_hw_interrupt_disable()：屏蔽当前端口规定的可屏蔽中断，并返回调用前的中断状态；
• rt_hw_interrupt_enable(level)：用传入的 level 恢复先前状态，不能简单理解为无条件“打开所有中断”。

典型逻辑是“保存旧状态 → 关中断 → 修改共享内核状态 → 恢复旧状态”。保存并恢复旧状态非常重要：如果调用前中断本来就是关闭的，退出内层临界区时不应错误地提前开启中断。

视频回看了 rt_thread_yield() 的内核实现。该函数先取得当前线程，再调用 rt_hw_interrupt_disable()；在中断关闭期间重装当前线程的剩余时间片并设置主动让出标志；随后用保存的 level 恢复中断，最后才调用 rt_schedule()。这里的关中断只保护极短的调度状态更新，不是让整个线程业务都在关中断状态下执行。

关闭中断的影响是全局性的：受屏蔽中断不能及时响应，由这些中断触发的系统 tick、外设服务和抢占调度也会被推迟。因此应遵守以下原则：

• 临界区只保留必要的几条操作，不做打印、延时、等待 IPC 或大数据处理；
• 退出时传回原先保存的 level；
• 若共享数据还会被 ISR 访问，线程级互斥量不能代替中断保护；
• 在多核系统中，关闭本地 CPU 中断并不能阻止另一核心并发访问，还需要自旋锁等跨核机制。本课程 STM32F103 单核工程不涉及这一分支。

1.1.3.2 禁止调度

视频思维导图和配套 RT-Thread 5.0.2 源码中的接口是：

• rt_enter_critical()：锁住线程调度器；
• rt_exit_critical()：解除一层调度锁，并在最外层退出时按需要重新调度。

原笔记中的 rt_thread_scheduler_lock() / rt_thread_scheduler_unlock() 不是本节实际展示的接口，应以上述名称为准。

配套单核源码用 rt_scheduler_lock_nest 记录嵌套层数。每次 rt_enter_critical() 将层数加一，每次 rt_exit_critical() 将层数减一；只有降到零才真正恢复调度。这使同一线程中的嵌套调用可以成对工作，但也意味着少调用一次退出函数就会让调度器长期保持锁定。

锁调度器期间，硬件中断仍然可以响应，所以这种方式与关中断有两个关键区别：

• 它能阻止普通线程切换，却不能阻止 ISR 修改同一份数据；
• 它对中断实时性的影响较小，但会推迟其他线程运行。

调度被锁定时不能调用会使当前线程阻塞或挂起的接口，例如延时、永久等待信号量或等待消息。否则当前线程要求睡眠，调度器却又不允许选择其他线程，容易造成断言失败或系统失去正常调度。调度锁同样只适合短小、确定不会阻塞的线程级临界区。

1.1.3.3 互斥特性保护临界区

线程级锁的基本使用顺序是：

1. 进入临界区前获取同步对象；
2. 获取成功后访问共享资源；
3. 在所有正常和异常退出路径上释放同步对象；
4. 其他线程获取不到时，根据接口参数立即返回、限时等待或挂起等待。

二值信号量和互斥量都能形成“一次只让一个线程进入”的效果，但二者不能视为完全相同：

• 二值信号量本质上仍是无所有权的计数/通知对象，可以由不同执行流获取和释放；
• 互斥量有明确所有者，只能由持有它的线程释放，并具有递归持有和优先级继承等资源锁语义。

使用线程级锁时，持有者可以被无关的高优先级线程抢占；真正被阻止的是其他试图获取同一个锁的线程。与长时间关中断相比，这通常能保留更好的中断响应和系统可调度性。

要避免几个常见错误：获取后忘记释放、错误路径提前返回而漏释放、以相反顺序获取多把锁导致死锁，以及在持锁期间执行无界耗时或永久等待操作。

1.1.4 信号量

信号量（semaphore）可以理解为“可用令牌的计数器 + 等待队列”。在 RT-Thread 中：

• 当前值大于 0 时，获取操作成功并把计数减一；
• 当前值等于 0 时，调用者可按等待参数选择立即返回、等待指定 tick 或永久等待；
• 释放时，如果已有线程正在等待，则优先唤醒等待线程；如果没有等待线程，计数加一。

等待时间的单位是 OS tick，不是固定的毫秒。只有结合工程的 RT_TICK_PER_SECOND，才能把 tick 换算为实际时间。

课程用“厕所”和“停车场”帮助理解，但应把模型对应准确：

用法	常见初值	含义
同步通知	0	条件尚未发生，等待线程先阻塞；生产者或 ISR 完成工作后释放一次，通知等待者继续
二值锁	1	只有一个令牌；成功获取后变为 0，其他线程等待，使用完再释放
资源计数	N	有 N 个同类资源实例；每获取一个资源就减一，归还后加一

RT-Thread 内核只有通用计数信号量对象，并没有另一个会把数值硬性限制为 0/1 的独立“二值信号量”类型。所谓二值信号量，是应用按 0/1 规则使用普通信号量；如果没有等待者却连续多次释放，其计数仍可能超过 1。因此把它当锁时必须保证获取与释放严格匹配。

停车场初值为 5，表示五个可独立占用的车位，最多允许五个使用者各自占用一个资源；它不表示可以让五个线程同时进入同一段非可重入代码。若真正共享的资源只有一个，就应使用初值为 1 的锁或互斥量。

信号量没有所有权：释放者可以不是先前的获取者，这使它很适合“线程等待、另一个线程或 ISR 发出通知”的场景；但也正因为没有所有权，它不具备互斥量的递归持有和优先级继承能力。用于保护普通线程共享资源时，通常优先考虑互斥量；用于通知、线程与中断同步或资源计数时，信号量更自然。

1.1.5 互斥量

互斥量（mutex）是面向线程共享资源保护的内核对象。课程中的 mtx 只是 mutex 常用的名称缩写，可作为变量名或对象名理解，不是一个决定行为的“标志位”。

它的工作过程是：线程进入临界区前获取互斥量；获取成功后成为所有者；其他线程再获取同一个互斥量时会等待；所有者完成资源访问后释放，等待者才有机会继续。

互斥量和二值信号量都能呈现“锁定/解锁”的外观，但 RT-Thread 5.0.2 中的重要区别如下：

特性	二值信号量用作锁	互斥量
所有权	无	有，记录持有线程
谁能释放	不要求必须是获取者	只能由所有者线程释放
同一线程重复获取	会因令牌已用完而等待，可能自锁	支持递归获取，并记录持有次数；必须对应次数地释放
优先级反转保护	无	支持优先级继承，必要时临时提升持锁线程优先级
ISR 中使用	可用信号量释放操作通知线程	互斥量依赖线程所有权，不能在 ISR 中获取或释放
更适合的用途	通知、计数；简单场景也可互斥	普通线程之间保护唯一共享资源

优先级继承用于缓解经典优先级反转：低优先级线程持有互斥量、高优先级线程等待它时，内核临时提高持锁线程的优先级，使其尽快完成临界区并释放资源，避免被无关的中优先级线程长期抢占。它不能修复死锁或无限期持锁，所以互斥量仍应尽早释放。

选择保护方式时可以先问两个问题：

1. 共享数据是否会被 ISR 访问？如果会，需要极短的中断保护或专门的中断安全设计，不能只加线程互斥量。
2. 只是线程之间保护一个共享资源，还是要传递通知/统计资源数量？前者优先考虑互斥量，后者优先考虑信号量或事件集。

核对依据：本课程视频与配套工程中的 RT-Thread 5.0.2 rt-thread/src/thread.c、rt-thread/src/scheduler_up.c、rt-thread/src/ipc.c 和 rt-thread/include/rtdef.h，以及 RT-Thread 官方线程间同步文档、官方中断管理文档、RT-Thread v5.0.2 thread.c、RT-Thread v5.0.2 scheduler_up.c 和 RT-Thread v5.0.2 ipc.c。