AWorks軟件設計，郵箱、消息隊列和自旋鎖使用方法

本文導讀

本文介紹了郵箱、消息隊列和自旋鎖的使用方法。信號量只能用于任務間的同步，不能傳遞更多的信息，為此，AWorks提供了郵箱和消息隊列服務，它們的主要區(qū)別在于支持的消息長度不同，在郵箱中，每條消息的長度固定為4字節(jié)，而在消息隊列中，消息的長度可以自定義。本文為《面向AWorks框架和接口的編程（上）》第三部分軟件篇——第10章——第3~5小節(jié)：郵箱、消息隊列和自旋鎖。

10.3 郵箱

前面介紹了用于任務間同步的三種信號量，它們相當于資源的鑰匙，獲取到鑰匙的任務可以訪問相關(guān)的資源，任務以此確定可以運行的時刻。但是，信號量不能夠提供更多的信息內(nèi)容。比如，按鍵按下時，釋放一個信號量，任務獲取到該信號量時，只能知道有按鍵按下了，但不能知道按鍵相關(guān)的更多信息，比如：具體是哪個按鍵按下了？

當需要在任務間傳遞的更多信息時，可以使用AWorks提供的郵箱服務。郵箱服務是實時內(nèi)核中一種典型的任務間通信方法，特點是開銷比較低，效率較高。一個郵箱中可以存儲多封郵件，郵箱中的每一封郵件只能容納固定的4字節(jié)內(nèi)容（針對32位處理系統(tǒng)，指針的大小即為4個字節(jié)，所以一封郵件恰好能夠容納一個指針）。發(fā)送郵件的任務（或中斷服務程序）負責將郵件存入郵箱，接收郵件的任務負責從郵箱中提取郵件。示意圖詳見圖10.4。

圖10.4 郵箱工作示意圖

當郵箱中存在多封郵件時，默認按照先進先出（FIFO）的原則傳遞給接收郵件的任務。郵件的大小固定為4字節(jié)，當需要傳遞的消息內(nèi)容大于4字節(jié)時，則可以僅將消息的地址作為郵件內(nèi)容，任務接收到郵件時，通過該地址即可查找到相應的消息。這種方式使得使用郵箱進行消息傳遞的效率非常高。

AWorks提供了使用郵箱的幾個宏，宏的原型詳見表10.7。

表10.7 郵箱相關(guān)的宏（aw_mailbox.h）

1. 定義郵箱實體

AW_MAILBOX_DECL()和

AW_MAILBOX_DECL_STATIC()宏均用于定義一個郵箱實體，為郵箱分配必要的內(nèi)存空間，包括用于存儲郵件的空間。它們的原型為：

其中，參數(shù)mailbox為郵箱實體的標識名。mail_num表示郵箱的容量，即郵箱中存儲郵件的最大條數(shù)，由于每封郵件的大小為4字節(jié)，因此用于存儲郵件的總內(nèi)存大小為：mail_num×4。

兩個宏的區(qū)別在于：

AW_MAILBOX_DECL_STATIC() 在定義郵箱所需內(nèi)存時, 使用了關(guān)鍵字static ，如此一來, 便可以將郵箱實體的作用域限制在模塊內(nèi)（文件內(nèi)）, 從而避免模塊之間的郵箱命名沖突，同時，還可以在函數(shù)內(nèi)使用本宏定義郵箱實體。

如使用AW_MAILBOX_DECL()定義一個標識名為mailbox_test的郵箱實體，郵件的最大數(shù)目為10，其范例程序詳見程序清單10.49。

程序清單10.49 定義郵箱實體的范例程序

使用AW_MAILBOX_DECL()定義郵箱實體時，可以將郵箱的實體嵌入到另一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，其范例程序程序清單10.50。

程序清單10.50 將郵箱實體嵌入到結(jié)構(gòu)體中

也可以使用AW_MAILBOX_DECL_STATIC()定義一個標識名為mailbox_test的郵箱實體，其范例程序詳見程序清單10.51。

程序清單10.51 定義郵箱實體（靜態(tài)）的范例程序

2. 初始化郵箱

定義郵箱實體后，必須使用AW_MAILBOX_INIT()初始化后才能使用。其原型為：

其中，mailbox為由AW_MAILBOX_DECL() 或 AW_MAILBOX_DECL_STATIC()定義的郵箱。mail_num表示郵箱可以存儲的郵件條數(shù)，其值必須與定義郵箱實體時的mail_num相同。options為郵箱的選項，其決定了阻塞于此郵箱（等待消息中）的任務的排隊方式，可以按照任務優(yōu)先級或先進先出的順序排隊，它們對應的宏詳見表10.8。

表10.8 郵箱初始化選項宏（aw_mailbox.h）

注意，前面講述了三種信號量，在初始化時同樣可以通過選項指定阻塞于信號量的任務的排隊方式，分為按照優(yōu)先級和先進先出兩種方式，它們對應的宏名分別為AW_SEM_Q_PRIORITY和AW_SEM_Q_FIFO。與郵箱選項的命名不同，不可混用。

通常排隊方式都選擇按照優(yōu)先級排隊，初始化郵箱的范例程序詳見程序清單10.52。

程序清單10.52 初始化郵箱的范例程序

AW_MAILBOX_INIT()用于初始化一個郵箱實體，初始化完畢后，將返回該消郵箱的ID，其類型為aw_mailbox_id_t。定義一個該類型的變量保存返回的ID如下：

aw_mailbox_id_t的具體定義用戶無需關(guān)心，該ID可作為后文介紹的其它郵箱相關(guān)接口函數(shù)的參數(shù)，用于指定要操作的郵箱。特別地，若返回ID的值為NULL，表明初始化失敗。一般地，若無特殊需求，不會使用該ID，可以不用保存該ID。

3. 從郵箱中獲取一條信息

從郵箱中獲取一條消息的宏原型為：

其中，mailbox為由AW_MAILBOX_DECL() 或 AW_MAILBOX_DECL_STATIC()定義的郵箱。p_data指向用于保存消息的緩沖區(qū)，消息獲取成功后，將存儲到p_data指向的緩沖區(qū)中，由于消息的大小固定為4字節(jié)（32位），因此緩沖區(qū)的大小也必須為4字節(jié)，例如，可以是一個指向32位數(shù)據(jù)的指針。timeout指定了超時時間。該宏的返回值為aw_err_t類型的標準錯誤號。注意，由于中斷服務程序不能被阻塞，因此，該函數(shù)禁止在中斷中調(diào)用。

如果郵箱不為空，包含有效的消息，則本次操作將成功獲取到一條消息，同時，會從郵箱中將該條消息刪除，有效消息的條數(shù)減1。此時，AW_MAILBOX_RECV()的返回值為：AW_OK。

如果郵箱為空，沒有任何有效的消息，則不能立即成功獲取到消息，接下來具體的行為將由超時時間timeout的值決定。

（1）若timeout的值為

AW_MAILBOX_WAIT_FOREVER。則任務會阻塞于此，一直等待，直到郵箱中有可用的消息，即其它任務或中斷發(fā)送了消息。范例程序詳見程序清單10.53。

程序清單10.53 永久阻塞等待郵箱的范例程序

（2）若timeout的值為

AW_MAILBOX_NO_WAIT。則任務不會被阻塞，立即返回，但不會成功獲取到消息，此時，AW_MAILBOX_RECV()的返回值為：

-AW_EAGAIN（表示當前資源無效，需要重試）。范例程序詳見程序清單10.54。

程序清單10.54 不阻塞等待郵箱的范例程序

（3）若tiemout的值為一個正整數(shù)，則表示最長的等待時間（單位為系統(tǒng)節(jié)拍），任務會阻塞于此，在timeout規(guī)定的時間內(nèi)，若成功獲取到一條消息，則AW_MAILBOX_RECV()的返回值為：AW_OK；若在timeout規(guī)定的時間內(nèi)，沒有獲取到消息，則返回值為-AW_ETIME（表明超時）。范例程序詳見程序清單10.55。

程序清單10.55 等待郵箱的超時時間為500ms的范例程序

4. 發(fā)送一條消息到郵箱中

發(fā)送消息到郵箱中的宏原型為：

其中，mailbox為由AW_MAILBOX_DECL() 或 AW_MAILBOX_DECL_STATIC()定義的郵箱。data為發(fā)送的32位數(shù)據(jù)。timeout指定了超時時間。priority指定了消息的優(yōu)先級。該宏的返回值為aw_err_t類型的標準錯誤號。

若郵箱未滿，可以繼續(xù)存儲消息，則該消息發(fā)送成功，郵箱中的有效消息條數(shù)加1。此時，AW_MAILBOX_SEND()的返回值為：AW_OK。

若郵箱已滿，暫時不能繼續(xù)存儲消息，則不能立即成功發(fā)送消息，接下來具體的行為將由超時時間timeout的值決定。

（1）若timeout的值為

AW_MAILBOX_WAIT_FOREVER。則任務會阻塞于此，一直等待，直到消息成功放入郵箱中。即其它任務從郵箱中獲取了消息，郵箱中留出了空閑空間。范例程序詳見程序清單10.56。

程序清單10.56 永久阻塞等待郵箱的范例程序

注意，priority參數(shù)指定了消息的優(yōu)先級，其可能的取值有兩個：AW_MAILBOX_PRI_NORMAL和AW_MAILBOX_PRI_URGENT，分別表示普通優(yōu)先級和緊急優(yōu)先級。一般地，均使用普通優(yōu)先級，此時，新的消息按照先進先出的原則，依次排隊存入郵箱，該消息將后于當前郵箱中其它消息被取出。若使用緊急優(yōu)先級，則新的消息插隊放在郵箱的最前面，該消息將先于當前郵箱中其它消息被取出，即在下次從郵箱中獲取消息時被取出。

（2）若timeout的值為

AW_MAILBOX_NO_WAIT。則任務不會被阻塞，立即返回，但不會成功發(fā)送消息，此時，AW_MAILBOX_SEND()的返回值為：-AW_EAGAIN（表示當前資源無效，需要重試）。范例程序詳見程序清單10.57。

程序清單10.57 不阻塞等待郵箱的范例程序

（3）若tiemout的值為一個正整數(shù)，則表示最長的等待時間（單位為系統(tǒng)節(jié)拍），任務會阻塞于此，在timeout規(guī)定的時間內(nèi)，成功發(fā)送了消息，則AW_MAILBOX_SEND()的返回值為：AW_OK；若在timeout規(guī)定的時間內(nèi)，沒有成功發(fā)送消息，則返回值為-AW_ETIME（表明超時）。范例程序詳見程序清單10.58。

程序清單10.58 等待郵箱的超時時間為500ms的范例程序

注意，在中斷服務程序中（如按鍵回調(diào)函數(shù)），可以使用該接口發(fā)送消息至郵箱，這是中斷和任務之間很重要的一種通信方式：即在中斷中發(fā)送消息，在任務中接收消息并處理，從而減小中斷服務程序的時間。但是，由于中斷不能被阻塞，因此，當在中斷中發(fā)送消息時，timeout標志只能為AW_MAILBOX_NO_WAIT。在這種應用中，為了避免消息丟失，應該盡可能避免郵箱被填滿，可以通過增加郵箱的容量以及提高處理消息任務的優(yōu)先級，使郵箱中的消息被盡快處理。

5. 終止郵箱

當一個郵箱不再使用時，可以終止該郵箱，宏原型為：

其中，mailbox為由AW_MAILBOX_DECL() 或 AW_MAILBOX_DECL_STATIC()定義的郵箱。當郵箱被終止后，若當前系統(tǒng)中還存在等待該郵箱的任務，則任何等待此郵箱的任務將會解阻塞,并返回-AW_ENXIO（表明資源已不存在），其范例詳見程序清單10.59。

程序清單10.59 終止郵箱的范例程序

在講述計數(shù)信號量時，使用了單個按鍵控制LED翻轉(zhuǎn)，由于只使用到了一個按鍵，因此，在發(fā)送按鍵消息時，只需要使用計數(shù)信號量對按鍵事件進行計數(shù)，無需發(fā)送更多的消息。若需要使用多個按鍵控制LED，則在發(fā)送按鍵消息時，必須攜帶按鍵編碼信息，以便針對不同的按鍵作不同的處理。

例如，要實現(xiàn)一個簡單的應用，通過LED顯示當前按鍵的編碼：

• KEY_0按下，則LED0熄滅，LED1熄滅，顯示“00”；

• KEY_1按下，則LED0熄滅，LED1點亮，顯示“01”；

• KEY_2按下，則LED0點亮，LED1熄滅，顯示“02”；

• KEY_3按下，則LED0點亮，LED1點亮，顯示“03”。

顯然，為了區(qū)分不同按鍵，發(fā)送按鍵消息時，需要攜帶按鍵的編碼信息，由于按鍵編碼是int類型的數(shù)據(jù)，在32位系統(tǒng)中，其恰好為32位，因此，可以使用郵箱來管理按鍵消息。范例程序詳見程序清單10.60。

程序清單10.60 郵箱使用范例程序

在按鍵事件回調(diào)函數(shù)中發(fā)送消息，由于只需要處理按鍵按下事件，因此，僅當按鍵按下時（key_state不為0），才向郵箱中發(fā)送消息（按鍵編碼）。在task_led任務中接收消息，當成功獲取到一條消息時，根據(jù)消息內(nèi)容（按鍵編碼）控制LED。

實際上，這里的按鍵處理程序僅僅用于控制LED燈，耗時時間是非常短的，往往比發(fā)送一條消息的時間還短，這里使用郵箱并不能優(yōu)化程序，僅僅只是作為一個使用郵箱的范例，實際應用按鍵的處理通常會復雜得多，則建議使用這種通用的模式，即在按鍵事件的回調(diào)函數(shù)中，僅僅只是將按鍵編碼發(fā)送到郵箱中，實際的處理在任務中完成。這樣可以避免長時間占用中斷，影響系統(tǒng)的實時性，使其它緊急事務得不到處理，同時，郵箱還有一個緩沖的作用，當按鍵來不及處理時，可以暫存到郵箱中，后續(xù)空閑時再及時去處理，很大程度上避免了“丟鍵”的可能性，就像PC一樣，有時候系統(tǒng)卡頓，顯示屏卡住，但按鍵輸入的信息后續(xù)還是會顯示出來，一般不會丟失。

在上面的范例程序中，由于按鍵編碼的大小為4字節(jié)，郵件恰好可以容納，因此，可以直接將按鍵編碼作為消息內(nèi)容，發(fā)送到郵箱中（拷貝一份，存儲至郵箱中）。若要發(fā)送的消息大于4字節(jié)，顯然不能直接發(fā)送了，此時，可以將傳輸內(nèi)容的地址作為郵件內(nèi)容，發(fā)送到郵箱中，接收者接收到郵件后，再將郵件內(nèi)容作為地址，從中取出實際的消息內(nèi)容。范例程序詳見程序清單10.61。

程序清單10.61 郵箱使用范例程序——消息內(nèi)容大于4字節(jié)

程序中，定義了兩個任務：task0和task1。task0負責發(fā)送消息，每隔1s將count值加1，若count為奇數(shù)，則發(fā)送__g_str1字符數(shù)組中的信息；若count為偶數(shù)，則發(fā)送__g_str2字符數(shù)組中的信息。__g_str1和__g_str2兩個字符數(shù)組分別存放了字符串：

"The count is an oddnumber!"和

"The count is an even number!"。顯然，字符串的長度超過了4個字節(jié)，因此，兩個數(shù)組的大小也都超過了4字節(jié)。在tsak1發(fā)送消息時，將字符串數(shù)組的地址作為消息發(fā)送到了郵箱中。task1用于接收消息，當接收到消息時，將其作為字符數(shù)組的地址，使用aw_kprintf()將接收到的字符信息打印出來。以此完成了消息的傳遞。

由于郵箱僅傳輸了兩個字符數(shù)組的地址，為了保證接收任務正確提取地址中的實際消息，必須確保接收任務接收到郵件時，地址中的數(shù)據(jù)仍然有效。因此，在范例程序中，將兩個數(shù)組定義為了全局變量，使其內(nèi)存一直有效。甚至在消息處理完成后，數(shù)組的內(nèi)存空間還是有效的。

在一些應用中，當消息處理完畢后，消息將沒有任何實際意義，其地址中對應的數(shù)據(jù)可以丟棄，以釋放相關(guān)內(nèi)存。此時，可以使用動態(tài)內(nèi)存來管理消息：發(fā)送者動態(tài)獲取一段內(nèi)存空間，填充相關(guān)內(nèi)容后，將這段內(nèi)存空間的首地址發(fā)送到郵箱中，接收者從郵箱中獲取到該地址，然后從地址中提取出實際的消息內(nèi)容進行處理，處理完畢后，釋放內(nèi)存。

例如，在程序清單10.60的基礎(chǔ)上，對功能進行簡單的修改：當按鍵按下時，LED顯示當前按鍵的編碼，當按鍵釋放時，熄滅所有LED。顯然，由于需要對按鍵按下和釋放作不同的處理，這就要求在按鍵事件產(chǎn)生后，除需要發(fā)送按鍵編碼信息外，還要發(fā)送按鍵的狀態(tài)（按下或釋放）。此時，消息就需要包含按鍵編碼和按鍵狀態(tài)，共計8字節(jié)。范例程序詳見程序清單10.62。

程序清單10.62 郵箱使用范例程序——消息內(nèi)存動態(tài)分配

程序中，使用了aw_mem_alloc()和

aw_mem_free()進行消息內(nèi)存的申請和釋放。

aw_mem_alloc()和aw_mem_free()與標準C的malloc()和free()功能相同，用于動態(tài)內(nèi)存的管理。它們在aw_mem.h文件中聲明。

aw_mem_alloc()的函數(shù)原型為：

其用于分配size字節(jié)的內(nèi)存空間，返回void*類型的指針，該指針即指向分配空間的首地址，若內(nèi)存分配失敗，則返回值為NULL。

aw_mem_free()的函數(shù)原型為：

其用于釋放由aw_mem_alloc()分配的空間，ptr參數(shù)即為內(nèi)存空間的首地址，其值必須是由aw_mem_alloc()函數(shù)返回的。

10.4 消息隊列

前面介紹了郵箱服務，郵箱固定了消息的大小為4字節(jié)，當需要傳輸多余4字節(jié)的內(nèi)容時，往往需要使用指針的形式，即使用郵箱傳遞實際消息的首地址，任務間通過傳遞的地址共享信息。使用地址共享信息的效率很高。但是，這種情況下，就需要特別小心的進行內(nèi)存的申請和釋放，一個地址中的消息使用完畢后，需要釋放相關(guān)內(nèi)存空間。對于初學者來講，使用起來相對繁瑣，容易出錯。

為此，AWorks提供了另外一種消息通信機制：消息隊列。其和郵箱類似，均用于任務見消息的傳輸，但其支持的消息大小由用戶指定，可以超過4字節(jié)。

消息隊列可以存放多條消息，發(fā)消息的任務負責將消息發(fā)送至隊列，接收消息的任務負責從隊列中提取消息。AWorks提供了使用消息隊列的幾個宏，宏的原型詳見表10.9。

表10.9 消息隊列相關(guān)的宏（aw_msgq.h）

1. 定義消息隊列實體

AW_MSGQ_DECL()和

AW_MSGQ_DECL_STATIC()宏均用于定義一個消息隊列實體，為消息隊列分配必要的內(nèi)存空間，包括用于存儲消息的空間。它們的原型為：

其中，參數(shù)msgq為消息隊列實體的標識名。msg_num和msg_size用于分配存儲消息的空間，msg_num表示消息的最大條數(shù)，msg_size表示每條消息的大?。ㄗ止?jié)數(shù)）。用于存儲消息的總內(nèi)存大小即為：msg_num×msg_size。

兩個宏的區(qū)別在于，AW_MSGQ_DECL_STATIC() 在定義消息隊列所需內(nèi)存時, 使用了關(guān)鍵字static ，如此一來, 便可以將消息隊列實體的作用域限制在模塊內(nèi)（文件內(nèi)）, 從而避免模塊之間的消息隊列命名沖突，同時，還可以在函數(shù)內(nèi)使用本宏定義消息隊列實體。

如使用AW_MSGQ_DECL()定義一個標識名為msgq_test的消息隊列實體，消息的最大數(shù)目為10，每條消息為一個int類型數(shù)據(jù)，則消息的大小為4個字節(jié)（32位平臺中），其范例程序詳見程序清單10.63。

程序清單10.63 定義消息隊列實體的范例程序

通常，當每條消息為一個int類型的數(shù)據(jù)時，其長度最好使用sizeof表示，其范例程序詳見程序清單10.64。

程序清單10.64 定義消息隊列實體的范例程序

使用AW_MSGQ_DECL()定義消息隊列實體時，可以將消息隊列的實體嵌入到另一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，其范例程序程序清單10.65。

程序清單10.65 將消息隊列實體嵌入到結(jié)構(gòu)體中

也可以使用AW_MSGQ_DECL_STATIC()定義一個標識名為msgq_test的消息隊列實體，其范例程序詳見程序清單10.66。

程序清單10.66 定義消息隊列實體（靜態(tài)）的范例程序

2. 初始化消息隊列

定義消息隊列實體后，必須使用

AW_MSGQ_INIT()初始化后才能使用。其原型為：

其中，msgq為由AW_MSGQ_DECL() 或

AW_MSGQ_DECL_STATIC()定義的消息隊列。msg_num表示消息隊列可以存儲的消息條數(shù)，其值必須與定義消息隊列實體時的msg_num相同。msg_size表示每條消息的大?。ㄗ止?jié)數(shù)），其值必須與定義消息隊列實體時的msg_size相同。

options為消息隊列的選項，其決定了阻塞于此消息隊列（等待消息中）的任務的排隊方式，可以按照任務優(yōu)先級或先進先出的順序排隊，它們對應的宏詳見表10.10。

表10.10 消息隊列初始化選項宏（aw_msgq.h）

注意，前面講述了三種信號量，在初始化時同樣可以通過選項指定阻塞于信號量的任務的排隊方式，分為按照優(yōu)先級和先進先出兩種方式，它們對應的宏名分別為AW_SEM_Q_PRIORITY和AW_SEM_Q_FIFO。與消息隊列的命名不同，不可混用。

通常排隊方式都選擇按照優(yōu)先級排隊，初始化消息隊列的范例程序詳見程序清單10.67。

程序清單10.67 初始化消息隊列的范例程序

AW_MSGQ_INIT()用于初始化一個消息隊列實體，初始化完畢后，將返回該消息隊列的ID，其類型為aw_msgq_id_t。定義一個該類型的變量保存返回的ID如下：

aw_msgq_id_t的具體定義用戶無需關(guān)心，該ID可作為后文介紹的其它消息隊列相關(guān)接口函數(shù)的參數(shù)，用于指定要操作的消息隊列。特別地，若返回ID的值為NULL，表明初始化失敗。一般地，若無特殊需求，不會使用該ID，可以不用保存該ID。

3. 從消息隊列中獲取一條信息

從消息隊列中獲取一條消息的宏原型為：

其中，msgq為由AW_MSGQ_DECL() 或

AW_MSGQ_DECL_STATIC()定義的消息隊列。p_buf指向用于保存消息的緩沖區(qū)，消息成功獲取后，將存儲到p_buf指向的緩沖區(qū)中。nbytes指定了緩沖區(qū)的大小，緩沖區(qū)大小必須能夠容納一條消息，其值不得小于定義消息隊列實體時指定的一條消息的長度，通常情況下，nbytes與一條消息的長度是相等的，例如，msgq_test中的消息長度為4字節(jié)，則nbytes的值也為4，即p_buf指向的緩存區(qū)大小為4字節(jié)。timeout指定了超時時間。該宏的返回值為aw_err_t類型的標準錯誤號。注意，由于中斷服務程序不能被阻塞，因此，該函數(shù)禁止在中斷中調(diào)用。

如果消息隊列不為空，包含有效的消息，則本次操作將成功獲取到一條消息，同時，會從消息隊列中將該條消息刪除，有效消息的條數(shù)減1。此時，AW_MSGQ_RECEIVE()的返回值為：AW_OK。

如果消息隊列為空，沒有任何有效的消息，則不能立即成功獲取到消息，接下來具體的行為將由超時時間timeout的值決定。

（1）若timeout的值為

AW_MSGQ_WAIT_FOREVER。則任務會阻塞于此，一直等待，直到消息隊列中有可用的消息，即其它任務或中斷發(fā)送了消息。范例程序詳見程序清單10.68。

程序清單10.68 永久阻塞等待消息隊列的范例程序

（2）若timeout的值為AW_MSGQ_NO_WAIT。則任務不會被阻塞，立即返回，但不會成功獲取到消息，此時，AW_MSGQ_RECEIVE()的返回值為：-AW_EAGAIN（表示當前資源無效，需要重試）。范例程序詳見程序清單10.69。

程序清單10.69 不阻塞等待消息隊列的范例程序

（3）若tiemout的值為一個正整數(shù)，則表示最長的等待時間（單位為系統(tǒng)節(jié)拍），任務會阻塞于此，在timeout規(guī)定的時間內(nèi)，若成功獲取到一條消息，則AW_MSGQ_RECEIVE()的返回值為：AW_OK；若在timeout規(guī)定的時間內(nèi)，沒有獲取到消息，則返回值為-AW_ETIME（表明超時）。范例程序詳見程序清單10.33。

程序清單10.70 等待消息隊列的超時時間為500ms的范例程序

4. 發(fā)送一條消息到消息隊列中

發(fā)送消息到消息隊列中的宏原型為：

其中，msgq為由AW_MSGQ_DECL() 或

AW_MSGQ_DECL_STATIC()定義的消息隊列。p_buf指向待發(fā)送的消息緩沖區(qū)。nbytes為消息緩沖區(qū)的大小，消息緩沖區(qū)的長度不得不得大于定義消息隊列實體時指定的一條消息的長度，通常情況下，nbytes與一條消息的長度是相等的，例如，msgq_test中的消息長度為4字節(jié)，則nbytes的值也為4，即p_buf指向的緩存區(qū)大小為4字節(jié)。timeout指定了超時時間。priority指定了消息的優(yōu)先級。該宏的返回值為aw_err_t類型的標準錯誤號。

若消息隊列未滿，可以繼續(xù)存儲消息，則該消息發(fā)送成功，消息隊列的有效消息條數(shù)加1。此時，AW_MSGQ_SEND()的返回值為：AW_OK。

若消息隊列已滿，暫時不能繼續(xù)存儲消息，則不能立即成功發(fā)送消息，接下來具體的行為將由超時時間timeout的值決定。

（1）若timeout的值為

AW_MSGQ_WAIT_FOREVER。則任務會阻塞于此，一直等待，直到消息成功放入消息隊列。即其它任務從消息隊列中獲取了消息，消息隊列留出空閑空間。范例程序詳見程序清單10.71。

程序清單10.71 永久阻塞等待消息隊列的范例程序

注意，priority參數(shù)指定了消息的優(yōu)先級，其可能的取值有兩個：AW_MSGQ_PRI_NORMAL和AW_MSGQ_PRI_URGENT，分別表示普通優(yōu)先級和緊急優(yōu)先級。一般地，均使用普通優(yōu)先級，此時，新的消息按照隊列的組織形式，放在隊列的尾部，將最后被取出。若使用緊急優(yōu)先級，則新的消息放在隊列的頭部，將在下次從消息隊列中獲取消息時被取出。

（2）若timeout的值為AW_MSGQ_NO_WAIT。則任務不會被阻塞，立即返回，但不會成功發(fā)送消息，此時，AW_MSGQ_SEND()的返回值為：-AW_EAGAIN（表示當前資源無效，需要重試）。范例程序詳見程序清單10.72。

程序清單10.72 不阻塞等待消息隊列的范例程序

（3）若tiemout的值為一個正整數(shù)，則表示最長的等待時間（單位為系統(tǒng)節(jié)拍），任務會阻塞于此，在timeout規(guī)定的時間內(nèi)，成功發(fā)送了消息，則AW_MSGQ_SEND()的返回值為：AW_OK；若在timeout規(guī)定的時間內(nèi)，沒有成功發(fā)送消息，則返回值為-AW_ETIME（表明超時）。范例程序詳見程序清單10.73。

程序清單10.73 等待消息隊列的超時時間為500ms的范例程序

注意，在中斷服務程序中（如按鍵回調(diào)函數(shù)），可以使用該接口發(fā)送消息至消息隊列，這是中斷和任務之間很重要的一種通信方式：即在中斷中發(fā)送消息，在任務中接收消息并處理，從而減小中斷服務程序的時間。但是，由于中斷不能被阻塞，因此，當在中斷中發(fā)送消息時，timeout標志只能為AW_MSGQ_NO_WAIT。在這種應用中，為了避免消息丟失，應該盡可能避免消息隊列被填滿，可以通過增加消息隊列的大小以及提高處理消息任務的優(yōu)先級，使消息隊列中的消息被盡快處理。

5. 終止消息隊列

當一個消息隊列不再使用時，可以終止該消息隊列，宏原型為：

其中，msgq為由AW_MSGQ_DECL() 或 AW_MSGQ_DECL_STATIC()定義的消息隊列。當消息隊列被終止后，若當前系統(tǒng)中還存在等待該消息隊列的任務，則任何等待此消息隊列的任務將會解阻塞, 并返回-AW_ENXIO（表明資源已不存在），其范例詳見程序清單10.74。

程序清單10.74 終止消息隊列的范例程序

在程序清單10.62中，使用了動態(tài)內(nèi)存分配來管理消息的存儲空間，為了避免使用動態(tài)內(nèi)存分配，可以使用消息隊列，將每條消息的長度定義為8，以便存儲按鍵編碼和按鍵狀態(tài)。范例程序詳見程序清單10.75。

程序清單10.75 消息隊列使用范例程序

該程序與程序清單10.62所示的程序分別使用郵箱和消息隊列實現(xiàn)了相同的功能。消息隊列避免了使用動態(tài)內(nèi)存分配，在定義消息隊列實體時，就完成了相關(guān)內(nèi)存的靜態(tài)分配。避免了使用動態(tài)內(nèi)存分配的種種缺點。但是，當使用消息隊列時，若定義的容量過大，可能造成不必要的內(nèi)存浪費。

此外，郵箱和消息隊列發(fā)送消息的方式是不同的，對于郵箱，其僅僅發(fā)送了消息的首地址，接收者接收到地址后，直接從地址中取出相應的消息，這種方式下，消息傳遞的效率很高。

但對于消息隊列，發(fā)送消息時，是將整個消息內(nèi)容（如按鍵編碼和按鍵狀態(tài)）拷貝到消息隊列的緩沖區(qū)中，接收消息時，再將存儲在消息隊列緩沖區(qū)中的消息完整的拷貝到用戶緩沖區(qū)中。由此可見，一次消息傳輸存在兩次消息內(nèi)容的完全拷貝過程，這種傳輸方式效率很低，特別是對于一條消息很大的情況。

因此，建議當一條消息很大時，使用郵箱；而當一條消息較小時，消息的拷貝對性能的影響較弱，則使用消息隊列更加方便快捷。

當使用郵箱時，為了避免使用常規(guī)動態(tài)內(nèi)存分配方法造成內(nèi)存碎片、內(nèi)存泄漏、分配效率等問題?？梢允褂肁Works提供的靜態(tài)內(nèi)存池管理技術(shù)，其為了避免內(nèi)存碎片和分配效率等問題，將每次分配內(nèi)存的大小設定為一個固定值。內(nèi)存池管理技術(shù)將在“內(nèi)存管理”章節(jié)中詳細介紹。

10.5 自旋鎖

互斥信號量用于任務間對共享資源的互斥訪問，在一個任務獲取互斥信號量時，若互斥信號量無效，需要等待時，則任務會主動釋放CPU，內(nèi)核調(diào)度器進而調(diào)度CPU去執(zhí)行其它任務，當互斥信號量恢復有效時，再重新調(diào)度CPU繼續(xù)執(zhí)行之前的任務。這樣，在任務等待互斥信號量有效的這段時間里，CPU可以被充分利用，去處理其他任務。

但是，調(diào)度過程是需要耗費一定時間的，有些時候，對共享資源的訪問可能非常簡單，消耗CPU的時間很短，也就是說，一個任務占用共享資源的時間非常短，其獲得互斥信號量后很快就會釋放。這種情況下，當一個任務獲取互斥信號量時，即使當前的信號量無效，也意味著該信號量很快就會被釋放，變?yōu)橛行?。若任務在此時釋放CPU，執(zhí)行任務調(diào)度，很可能在任務調(diào)度過程中，信號量就被釋放了，系統(tǒng)又不得不在調(diào)度結(jié)束后重新將CPU再調(diào)度回來，這使系統(tǒng)在任務調(diào)度上花費了太多的時間成本。這種情況下，任務不釋放CPU將是一種更好的選擇，可以提高任務執(zhí)行的效率。

AWorks提供了自旋鎖，所謂“自旋”，就是一個“自我輪詢檢查”，當獲取自旋鎖時，若自旋鎖處于無效（被鎖）狀態(tài)，則不會釋放CPU，而是輪詢檢查自旋鎖，直到自旋鎖被釋放（解鎖）。檢查到自旋鎖被釋放后，立即獲取該自旋鎖，使之成為鎖住狀態(tài)，接著盡快迅速完成對共享資源的訪問，訪問結(jié)束后，釋放自旋鎖。

由于當自旋鎖不可用時，任務將一直循環(huán)檢查自旋鎖的狀態(tài)直到可用而不會釋放CPU， CPU在輪詢等待期間不做任何其它有效的工作，因此，只有在共享資源占用時間極短的情況下，使用自旋鎖才是合理的。否則，應該使用互斥信號量。需要特別注意的是，自旋鎖不支持遞歸使用。

AWorks提供了使用自旋鎖的通用接口，接口的原型詳見表10.11。

表10.11 自旋鎖通用接口（aw_spinlock.h）

在AWorks中，自旋鎖可以在中斷中使用，因而在接口命名中，含有“isr”關(guān)鍵字。之所以可以在中斷中使用，是由于在獲取到自旋鎖后，會關(guān)閉總中斷，釋放自旋鎖時，再打開總中斷，使得在訪問自旋鎖保護的共享資源時，可以獨占CPU，保證其不會被中斷打斷。否則，若任務在獲取到自旋鎖還未釋放時被中斷打斷，在中斷上下文中再次獲取自旋鎖將造成“死鎖”：任務未釋放自旋鎖，中斷只能等待；中斷占用了CPU，任務只有等待中斷結(jié)束返回后才能繼續(xù)執(zhí)行，以釋放自旋鎖。

換句話說，在AWorks中，自旋鎖可以在中斷中使用，任務和中斷對共享資源的訪問是互斥的，當任務訪問共享資源時，中斷會被關(guān)閉，以實現(xiàn)互斥。

1. 定義自旋鎖實體

在使用自旋鎖前，必須先使用aw_spinlock_isr_t類型定義自旋鎖實體，該類型在aw_spinlock.h中定義，具體類型的定義用戶無需關(guān)心，僅需使用該類型定義自旋鎖實體，即：

其地址即可作為各個接口中p_lock參數(shù)的實參傳遞，表示具體要操作的自旋鎖。

2. 初始化自旋鎖

定義自旋鎖實體后，必須使用該接口初始化后才能使用。其原型為：

其中，p_lock指向待初始化的自旋鎖。flags為自旋鎖的標志，當前無任何可用標志，該值需設置為0。初始化自旋鎖的范例程序詳見程序清單10.76。

程序清單10.76 初始化自旋鎖

3. 獲取自旋鎖

獲取自旋鎖的函數(shù)原型為：

其中，p_lock指向需要獲取的自旋鎖。若自旋鎖有效，則獲取成功，并將自旋鎖設置為無效狀態(tài)；若自旋鎖無效，則會輪詢等待（不會像互斥信號量那樣釋放CPU），直到自旋鎖有效（占用該鎖的任務釋放自旋鎖）后返回。該接口可以在中斷上下文中使用。獲取自旋鎖的范例程序詳見程序清單10.77。

程序清單10.77 獲取自旋鎖

4. 釋放自旋鎖

釋放自旋鎖的函數(shù)原型為：

其中，p_lock指向需要釋放的自旋鎖。自旋鎖的獲取和釋放操作應該成對出現(xiàn)，即在一個任務（或中斷上下文）中，先獲取自旋鎖，再訪問由該自旋鎖保護的共享資源，訪問結(jié)束后釋放自旋鎖。不可一個任務（或中斷上下文）僅獲取自旋鎖，另一個任務（或中斷上下文）僅釋放自旋鎖。釋放自旋鎖的范例程序詳見程序清單10.78。

程序清單10.78 釋放自旋鎖

在互斥信號量的范例程序中（詳見程序清單10.25），使用了兩個任務互斥訪問共享資源（調(diào)試串口）進行了舉例說明，由于調(diào)試串口輸出信息的速度慢，輸出一條字符串信息耗時往往在毫秒級別，因此，這種情況下，使用自旋鎖是不合適的。一般來講，操作硬件設備都不建議使用自旋鎖，自旋鎖往往用于互斥訪問類似于全局變量的共享資源。

例如，有兩個任務task1和task2。在task1中，每隔50ms對全局變量進行加1操作，在task2中，檢查全局變量的值，若達到10，則將全局變量的值重置為0，并翻轉(zhuǎn)一次LED。

由于兩個任務均需對全局變量進行操作，為了避免沖突，需要兩個任務互斥訪問該全局變量，顯然，加值操作是非?？斓模加脮r間極短，可以使用自旋鎖實現(xiàn)互斥訪問，范例程序詳見程序清單10.79。

程序清單10.79 自旋鎖使用范例程序