互斥量与二进制信号量：区别及相关概念解析(建议收藏！！！)

紫昭

发布于 2025-11-29 08:10:29

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一、引言

在多任务并发编程中，互斥量（Mutex）和二进制信号量（Binary Semaphore）是常用的同步原语。它们在功能上有一些相似之处，但也存在明显的区别，其中在 FreeRTOS 中，互斥量通过 “优先级继承” 来解决 “优先级反转” 问题，而二进制信号量则不具备此特性。本文将详细探讨互斥量与二进制信号量的区别，并深入解析优先级反转和优先级继承的概念，通过代码示例帮助读者更好地理解。

二、互斥量与二进制信号量的基本概念

（一）二进制信号量

二进制信号量本质上是一种特殊的信号量，其计数值只能为 0 或 1。它主要用于实现任务之间或任务与中断之间的同步。例如，一个任务可以等待一个二进制信号量，当信号量被释放（设置为 1）时，等待的任务被唤醒并继续执行。

（二）互斥量

互斥量用于保护共享资源，确保在同一时刻只有一个任务能够访问该资源。当一个任务获取互斥量时，其他任务如果试图获取相同的互斥量将被阻塞，直到持有互斥量的任务释放它。

三、优先级反转

（一）概念

优先级反转是指在基于优先级的可抢占调度系统中，低优先级任务持有一个高优先级任务所需的共享资源，导致高优先级任务被阻塞，而此时中优先级任务却能够抢占低优先级任务执行的现象。这违背了高优先级任务应该优先执行的原则，可能会导致系统的实时性得不到保障。

（二）代码示例

假设我们有三个任务：高优先级任务 Task_High、中优先级任务 Task_Medium 和低优先级任务 Task_Low，以及一个共享资源 Shared_Resource，由互斥量 mutex 保护。

// 共享资源
int Shared_Resource = 0;
// 互斥量
osMutexId_t mutex;

// 低优先级任务
void Task_Low(void *argument)
{
    // 获取互斥量
    osMutexWait(mutex, osWaitForever);
    // 模拟低优先级任务使用共享资源，耗时操作
    for (int i = 0; i < 10000; i++)
    {
        Shared_Resource++;
    }
    // 释放互斥量
    osMutexRelease(mutex);
    while (1)
    {
        // 低优先级任务的其他操作
        osDelay(1000);
    }
}

// 中优先级任务
void Task_Medium(void *argument)
{
    while (1)
    {
        // 中优先级任务的操作，可能会抢占低优先级任务
        osDelay(500);
    }
}

// 高优先级任务
void Task_High(void *argument)
{
    // 尝试获取互斥量，由于低优先级任务持有互斥量，高优先级任务被阻塞
    osMutexWait(mutex, osWaitForever);
    // 高优先级任务使用共享资源的操作
    Shared_Resource += 100;
    // 释放互斥量
    osMutexRelease(mutex);
    while (1)
    {
        // 高优先级任务的其他操作
        osDelay(100);
    }
}

在上述代码中，Task_Low 先获取了互斥量并开始操作共享资源。在其操作过程中，Task_High 被调度运行，由于需要获取被 Task_Low 持有的互斥量，Task_High 被阻塞。此时，Task_Medium 由于其优先级高于 Task_Low，可以抢占 Task_Low 执行，导致 Task_High 等待的时间变长，出现了优先级反转现象。

四、优先级继承

（一）概念

优先级继承是解决优先级反转问题的一种策略。当高优先级任务因低优先级任务持有互斥量而被阻塞时，系统将低优先级任务的优先级提升到与高优先级任务相同（或稍高）的优先级，直到低优先级任务释放互斥量。这样可以避免中优先级任务抢占低优先级任务，保证高优先级任务能够尽快获取到互斥量并执行。

（二）代码示例

在支持优先级继承的 FreeRTOS 环境中，对上述代码进行修改：

// 共享资源
int Shared_Resource = 0;
// 互斥量，设置为支持优先级继承
osMutexId_t mutex;

// 低优先级任务
void Task_Low(void *argument)
{
    // 获取互斥量，此时若高优先级任务需要该互斥量，低优先级任务优先级将提升
    osMutexWait(mutex, osWaitForever);
    // 模拟低优先级任务使用共享资源，耗时操作
    for (int i = 0; i < 10000; i++)
    {
        Shared_Resource++;
    }
    // 释放互斥量，低优先级任务优先级恢复
    osMutexRelease(mutex);
    while (1)
    {
        // 低优先级任务的其他操作
        osDelay(1000);
    }
}

// 中优先级任务
void Task_Medium(void *argument)
{
    while (1)
    {
        // 中优先级任务的操作，由于低优先级任务优先级提升，无法抢占
        osDelay(500);
    }
}

// 高优先级任务
void Task_High(void *argument)
{
    // 尝试获取互斥量，若低优先级任务持有，低优先级任务优先级提升后，高优先级任务等待
    osMutexWait(mutex, osWaitForever);
    // 高优先级任务使用共享资源的操作
    Shared_Resource += 100;
    // 释放互斥量
    osMutexRelease(mutex);
    while (1)
    {
        // 高优先级任务的其他操作
        osDelay(100);
    }
}

在这个修改后的代码中，当 Task_High 尝试获取被 Task_Low 持有的互斥量时，Task_Low 的优先级会被提升，Task_Medium 就无法抢占 Task_Low 的执行，从而减少了 Task_High 的阻塞时间，有效解决了优先级反转问题。

五、互斥量与二进制信号量在优先级反转处理上的区别

如前面所述，互斥量在 FreeRTOS 中通过优先级继承机制来应对优先级反转，而二进制信号量没有这种机制。在使用二进制信号量保护共享资源时，如果出现类似优先级反转的情况，高优先级任务只能等待低优先级任务释放信号量，期间可能会被中优先级任务长时间抢占，导致系统的实时性下降。

六、结论

互斥量和二进制信号量在多任务编程中都有着重要的作用，但它们在处理优先级反转问题上存在差异。理解优先级反转和优先级继承的概念，以及互斥量和二进制信号量的区别，对于开发可靠的多任务实时系统至关重要。在实际应用中，应根据系统的需求和特点，合理选择使用互斥量或二进制信号量，以确保系统的稳定性、可靠性和实时性。

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原始发表：2025-11-27，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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