持续创作，加速成长！这是我参与「掘金日新计划 · 6 月更文挑战」的第18天，点击查看活动详情

引言

在多线程实时系统中，一项工作的完成往往可以通过多个线程协调的方式共同来完成。不同线程之间存在着不同的相互制约关系，为了协调线程之间的制约关系，引入了线程同步的概念。同步是指按预定的先后次序进行运行，线程同步是指多个线程通过特定的机制（如互斥量，事件对象，临界区）来控制线程之间的执行顺序，也可以说是在线程之间通过同步建立起执行顺序的关系，如果没有同步，那线程之间将是无序的。

基本概念

线程的同步方式有很多种，其核心思想都是：在访问临界区的时候只允许一个 (或一类) 线程运行。

同步和互斥

同步又称直接制约关系，是指为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这些线程因为需要在某些位置上协调它们的工作次序而等待。
互斥又称间接制约关系。当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待，占用临界资源的进程退出临界区后，另一个进程才允许去访问临界资源。

临界区

多个线程操作 / 访问同一块区域（代码），这块代码就称为临界区。在临界区中线程可能改变共同变量、更新一个表等。临界区的特性是，当一个线程进入临界区，没有其他线程可被允许在临界区内执行，即没有两个线程可同时在临界区内执行。每个线程有一个或多个临界区。线程互斥是指对于临界区资源访问的排它性。当多个线程都要使用临界区资源时，任何时刻最多只允许一个线程去使用，其它要使用该资源的线程必须等待，直到占用资源者释放该资源。线程互斥可以看成是一种特殊的线程同步。对于临界资源的访问必须互斥的进行。

信号量

信号量是一种轻型的用于解决线程间同步问题的内核对象，线程可以获取或释放它，从而达到同步或互斥的目的。
信号量整数值的修改应不可分割地执行，也就是说，当一个线程修改信号量值时，没有其他线程能够同时修改同一信号量的值。
信号量可以用于控制访问具有多个实例地某种资源。信号量地初值为可用资源数量。每个信号量对象都有一个信号量值和一个线程等待队列，信号量的值对应了信号量对象的实例数目、资源数目，假如信号量值为6，则表示共有 6个信号量实例（资源）可以被使用，当信号量实例数目为零时，再申请该信号量的线程就会被挂起在该信号量的等待队列上，等待可用的信号量实例（资源）。

经典问题

生产者消费者

生产者消费者一般共享三个信号量。3 个信号量分别为：①lock：信号量锁的作用，因为 2 个线程都会对同一个数组 array 进行操作，所以该数组是一个共享资源，锁用来保护这个共享资源。②empty：空位个数，初始化为 5 个空位。③full：满位个数，初始化为 0 个满位。
我们可以这样理解这个问题，生产者为消费者生产满的缓冲区，而消费者为生产者生产空的缓冲区。
RTOS例程（以RT-Thread为例）

#include <rtthread.h>
#define THREAD_PRIORITY       6
#define THREAD_STACK_SIZE     512
#define THREAD_TIMESLICE      5

/* 定义最大 5 个元素能够被产生 */
#define MAXSEM 5

/* 用于放置生产的整数数组 */
rt_uint32_t array[MAXSEM];

/* 指向生产者、消费者在 array 数组中的读写位置 */
static rt_uint32_t set, get;

/* 指向线程控制块的指针 */
static rt_thread_t producer_tid = RT_NULL;
static rt_thread_t consumer_tid = RT_NULL;

struct rt_semaphore sem_lock;
struct rt_semaphore sem_empty, sem_full;

/* 生产者线程入口 */
void producer_thread_entry(void *parameter)
{
    int cnt = 0;

    /* 运行 10 次 */
    while (cnt < 10)
    {
        /* 获取一个空位 */
        rt_sem_take(&sem_empty, RT_WAITING_FOREVER);

        /* 修改 array 内容，上锁 */
        rt_sem_take(&sem_lock, RT_WAITING_FOREVER);
        array[set % MAXSEM] = cnt + 1;
        rt_kprintf("the producer generates a number: %d\n", array[set % MAXSEM]);
        set++;
        rt_sem_release(&sem_lock);

        /* 发布一个满位 */
        rt_sem_release(&sem_full);
        cnt++;

        /* 暂停一段时间 */
        rt_thread_mdelay(20);
    }

    rt_kprintf("the producer exit!\n");
}

/* 消费者线程入口 */
void consumer_thread_entry(void *parameter)
{
    rt_uint32_t sum = 0;

    while (1)
    {
        /* 获取一个满位 */
        rt_sem_take(&sem_full, RT_WAITING_FOREVER);

        /* 临界区，上锁进行操作 */
        rt_sem_take(&sem_lock, RT_WAITING_FOREVER);
        sum += array[get % MAXSEM];
        rt_kprintf("the consumer[%d] get a number: %d\n", (get % MAXSEM), array[get % MAXSEM]);
        get++;
        rt_sem_release(&sem_lock);

        /* 释放一个空位 */
        rt_sem_release(&sem_empty);

        /* 生产者生产到 10 个数目，停止，消费者线程相应停止 */
        if (get == 10) break;

        /* 暂停一小会时间 */
        rt_thread_mdelay(50);
    }

    rt_kprintf("the consumer sum is: %d\n", sum);
    rt_kprintf("the consumer exit!\n");
}

int producer_consumer(void)
{
    set = 0;
    get = 0;

    /* 初始化 3 个信号量 */
    rt_sem_init(&sem_lock, "lock",     1,      RT_IPC_FLAG_PRIO);
    rt_sem_init(&sem_empty, "empty",   MAXSEM, RT_IPC_FLAG_PRIO);
    rt_sem_init(&sem_full, "full",     0,      RT_IPC_FLAG_PRIO);

    /* 创建生产者线程 */
    producer_tid = rt_thread_create("producer",
                                    producer_thread_entry, RT_NULL,
                                    THREAD_STACK_SIZE,
                                    THREAD_PRIORITY - 1,
                                    THREAD_TIMESLICE);
    if (producer_tid != RT_NULL)
    {
        rt_thread_startup(producer_tid);
    }
    else
    {
        rt_kprintf("create thread producer failed");
        return -1;
    }

    /* 创建消费者线程 */
    consumer_tid = rt_thread_create("consumer",
                                    consumer_thread_entry, RT_NULL,
                                    THREAD_STACK_SIZE,
                                    THREAD_PRIORITY + 1,
                                    THREAD_TIMESLICE);
    if (consumer_tid != RT_NULL)
    {
        rt_thread_startup(consumer_tid);
    }
    else
    {
        rt_kprintf("create thread consumer failed");
        return -1;
    }

    return 0;
}