一、基本概念

同步与互斥是多任务/多线程编程中的两个核心机制：

• 同步：指多个任务之间存在明确的先后顺序，一个任务必须等待另一个任务完成某些操作后才能继续执行。

• 互斥：指多个任务在同一时刻争抢使用同一资源（临界资源），必须通过某种机制保证同一时间只有一个任务可以使用该资源。

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二、线程安全问题的由来

问题描述

当多个任务同时访问一个共享资源（如全局变量）时，如果没有适当的保护机制，就会出现数据不一致的问题。

示例分析：全局变量 count++

c

int count = 0;
// 两个线程同时执行 count++

count++ 实际上包含三个步骤（非原子操作）：

1. 读取 count 的值到寄存器

2. 对寄存器中的值加 1

3. 将结果写回 count 的内存地址

执行流程（可能出现的问题）：

1. 线程 A 读取 count = 0，准备加 1；

2. 此时切换到线程 B，也读取 count = 0，完成加 1 并写回，count 变为 1；

3. 切换回线程 A，继续执行加 1（基于之前读到的 0），写回后 count 仍为 1。

预期结果为 2，实际结果为 1，这就是典型的线程安全问题，也称为数据竞争。

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三、同步机制的缺陷

• 使用同步机制（如忙等待）会导致任务死等，浪费 CPU 资源。

• 应避免使用 while() 循环进行无意义的等待，而应使用阻塞机制让出 CPU。

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四、全局变量在 RTOS 中的存储位置

问题：全局变量存储在哪个栈中？

答案：全局变量不属于任何一个任务的栈。

内存区域划分：

1. 代码区 (Text Segment)：存放程序指令。

2. 全局/静态数据区 (Data/BSS Segment)：

   • 存放全局变量和静态变量；

   • 在程序启动时分配，生命周期贯穿整个程序；

   • 被所有任务和中断共享。

3. 堆区 (Heap)：动态分配的内存（如 malloc / pvPortMalloc）。

4. 栈区 (Stack)：

   • 主栈/中断栈：用于 ISR 和内核调度；

   • 任务栈：每个任务独立拥有，用于存放局部变量和上下文。

结论：

全局变量存储在全局数据区，是共享资源，访问时需使用临界区、信号量、互斥锁等机制进行保护。

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五、volatile 关键字的作用

问题背景：

在编译器优化的情况下，可能会将变量缓存在寄存器中，导致多任务环境中读取到旧值。

示例代码（无 volatile）：

c

int g_calc_end = 0;// Writer 任务
void vWriterTask(void *pvParameters) {while(1) {g_calc_end = 1; // 修改全局变量}
}// Reader 任务
void vReaderTask(void *pvParameters) {while(1) {if (g_calc_end == 1) { // 判断全局变量// 执行操作g_calc_end = 0;}vTaskDelay(1);}
}

问题流程：

1. Reader 任务第一次读取 g_calc_end 到寄存器；

2. 编译器优化后，后续判断直接使用寄存器中的值（不再从内存读取）；

3. Writer 任务修改了内存中的 g_calc_end；

4. Reader 任务仍然使用寄存器中的旧值，导致判断错误。

解决方案：使用 volatile

c

volatile int g_calc_end = 0;

volatile 的作用：

• 告诉编译器该变量是“易变的”；

• 禁止对其进行优化：

  • 每次读取必须从内存中重新加载；

  • 每次写入必须立即写回内存。

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六、补充与总结

疏漏补充：

1. 原子操作：某些架构提供原子指令（如 __atomic_inc），可避免数据竞争；

2. 临界区保护：使用开关中断、调度器锁、互斥量等方法保护共享资源；

3. 任务通信机制：除了全局变量，还可使用队列、事件组、信号量等进行任务间同步与通信；

4. 内存屏障：在多核系统中，可能需要使用内存屏障指令确保内存访问顺序。

总结图示：

（见原笔记中的图片，图示展示了同步与互斥的机制和资源访问流程）

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七、最佳实践建议

1. 尽量避免使用全局变量，优先使用 RTOS 提供的通信机制；

2. 若必须使用共享资源，务必使用互斥锁或信号量进行保护；

3. 对于可能被异步修改的变量，必须使用 volatile 声明；

4. 在临界区中尽量减少操作时间，避免影响系统实时性；

5. 合理使用任务阻塞机制，避免忙等待浪费 CPU 资源。