FreeRTOS中互斥量实现数据共享优化

在 FreeRTOS 中，当读操作远多于写操作时，使用**互斥量（Mutex）会导致读任务频繁阻塞，降低系统性能。此时，可以通过实现读者-写者锁（Reader-Writer Lock）**优化，允许多个读任务并发访问共享数据，而写任务独占访问。以下是具体分析和实现方案：

方案分析与选择

为什么需要读者-写者锁？

读多写少场景：允许多个读任务同时访问，提升吞吐量。
写操作原子性：写任务需独占资源，避免数据不一致。
避免优先级反转：通过 FreeRTOS 的任务通知机制优化唤醒逻辑。

实现原理
二元信号量（readersSem）：控制新读任务的进入，写任务执行时阻塞新读任务。
互斥量（rwMutex）：保护共享的读者计数（readerCount）。
任务通知（Task Notification）：唤醒等待的写任务，避免忙等待。

代码实现

全局变量与初始化

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"int sharedData = 0;                // 共享数据
SemaphoreHandle_t readersSem;      // 控制新读任务的进入
SemaphoreHandle_t rwMutex;         // 保护读者计数
int readerCount = 0;               // 当前活跃的读者数量
TaskHandle_t writerTaskHandle = NULL; // 等待中的写任务句柄void init() {readersSem = xSemaphoreCreateBinary();xSemaphoreGive(readersSem);     // 初始化为可用rwMutex = xSemaphoreCreateMutex();
}

读任务实现

void readTask(void *pvParameters) {while (1) {// 1. 允许其他读任务进入，但阻止新读任务在写任务等待时进入xSemaphoreTake(readersSem, portMAX_DELAY);xSemaphoreGive(readersSem);// 2. 增加读者计数xSemaphoreTake(rwMutex, portMAX_DELAY);readerCount++;xSemaphoreGive(rwMutex);// 3. 执行读操作（无需加锁）int localData = sharedData;// 4. 减少读者计数，唤醒等待的写任务xSemaphoreTake(rwMutex, portMAX_DELAY);readerCount--;if (readerCount == 0 && writerTaskHandle != NULL) {xTaskNotifyGive(writerTaskHandle); // 通知写任务继续}xSemaphoreGive(rwMutex);vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100)); // 模拟其他操作}
}

写任务实现

void writeTask(void *pvParameters) {while (1) {// 1. 获取 readersSem，阻止新读任务进入xSemaphoreTake(readersSem, portMAX_DELAY);// 2. 检查是否有活跃读者，若无则直接写；若有则等待xSemaphoreTake(rwMutex, portMAX_DELAY);if (readerCount > 0) {writerTaskHandle = xTaskGetCurrentTaskHandle();xSemaphoreGive(rwMutex);ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY); // 挂起等待读者退出xSemaphoreTake(rwMutex, portMAX_DELAY);}// 3. 执行写操作（此时无活跃读者）sharedData++;// 4. 清理状态并释放信号量writerTaskHandle = NULL;xSemaphoreGive(rwMutex);xSemaphoreGive(readersSem); // 允许新读任务进入vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 模拟其他操作}
}

关键机制说明

读任务并发
- 新读任务通过readersSem快速进入，仅短暂阻塞。
- 已进入的读任务通过readerCount统计，不影响彼此。
写任务独占
- 写任务通过readersSem阻止新读任务进入。
- 通过ulTaskNotifyTake挂起等待，直到最后一个读任务退出并发送通知。
优先级继承优化
- FreeRTOS 的互斥量（rwMutex）自动启用优先级继承，避免低优先级任务阻塞高优先级任务。
- 注意事项
- 写任务饥饿
  - 如果读任务持续不断，写任务可能长期等待。需在设计中平衡读写优先级。
- 多写任务场景
  - 当前实现假设单写任务。如需支持多写任务，需引入队列管理等待的写任务。
- 错误处理
  - 检查信号量创建是否成功（如xSemaphoreCreateMutex返回非NULL）。
  - 使用超时机制（如portMAX_DELAY）避免死锁。
- 性能测试
  - 在高负载场景下验证读写吞吐量，确保设计符合预期。
- 总结
  
  通过读者-写者锁的实现，读任务可以高效并发，而写任务保证数据一致性。此方案在 FreeRTOS 中充分利用任务通知和互斥量，兼顾性能与可靠性，适用于读多写少的场景。