实时操作系统（RTOS）因其对时间敏感任务的精确管理而在多种领域中得到广泛应用，如航空航天、工业自动化和嵌入式系统等。在这些应用中，多任务并发执行是常态，但这也带来了资源竞争和数据一致性问题。为了解决这些问题，RTOS采用了一系列同步与互斥技术。本文将重点介绍几种关键的同步与互斥机制。
信号量是一种用于控制对共享资源访问的计数器。它可以是二元的（仅表示可用或不可用），也可以是计数的（表示可用资源的数量）。在RTOS中，信号量常用于实现生产者-消费者模型，确保数据在不同任务间正确传递。
// 伪代码示例：信号量的使用
Semaphore semaphore = CreateSemaphore(0); // 初始值为0，表示资源不可用
Task Producer() {
while (true) {
ProduceItem();
Signal(semaphore); // 释放资源，增加信号量计数
}
}
Task Consumer() {
while (true) {
Wait(semaphore); // 等待资源，减少信号量计数至非负
ConsumeItem();
}
}
互斥锁是一种更严格的同步机制，用于确保在任何时刻只有一个任务可以访问某个资源。它常用于保护临界区代码，防止数据竞争和不一致性问题。互斥锁的实现通常基于底层的硬件原子操作，以保证操作的原子性和不可中断性。
// 伪代码示例：互斥锁的使用
Mutex mutex = CreateMutex();
Task TaskA() {
Lock(mutex); // 获取锁，进入临界区
// 临界区代码
Unlock(mutex); // 释放锁，退出临界区
}
在RTOS中，优先级反转是一个常见问题，即低优先级任务持有高优先级任务所需的资源，导致高优先级任务被阻塞。优先级继承协议是解决这一问题的有效方法。当高优先级任务等待低优先级任务释放资源时，PIP会将低优先级任务的优先级临时提升到等待它的最高优先级任务的优先级。
// 伪代码示例：优先级继承的实现逻辑
void ResourceRequest(Task t, Resource r) {
if (r.holder.priority < t.priority) {
r.holder.priority = t.priority; // 临时提升优先级
}
// 等待资源释放
}
void ResourceRelease(Resource r) {
// 恢复持有者的原始优先级
r.holder.priority = r.holder.original_priority;
}
实时操作系统中的同步与互斥技术是确保多任务并发执行时资源安全访问和数据一致性的关键。通过信号量、互斥锁和优先级继承协议等机制，RTOS能够有效管理任务间的资源竞争，提高系统的稳定性和响应速度。了解并合理应用这些技术，对于设计和实现高效、可靠的实时系统至关重要。