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第 11 课：Semaphore（信号量）

摘要
本课深入讲解 Zephyr RTOS 中线程同步的核心机制——Semaphore（信号量）。你将掌握二值信号量与计数信号量的区别，学会K_SEM_DEFINE()、k_sem_take()、k_sem_give()等核心 API，并通过生产者-消费者、GPIO 中断唤醒线程等实战示例，理解信号量在事件通知与资源计数中的典型应用，告别轮询带来的 CPU 浪费。学完本课，你就能在嵌入式多线程项目中正确选用信号量，为后续学习 Mutex 与 Message Queue（消息队列）打下坚实基础。

关键词：Zephyr RTOS、Semaphore（信号量）、线程同步、Binary Semaphore（二值信号量）、Counting Semaphore（计数信号量）
目标
学会 Zephyr 中线程同步最重要的机制——Semaphore（信号量）。

完成本课以后，你应该知道：
什么是 Semaphore
Binary Semaphore（二值信号量）
Counting Semaphore（计数信号量）
k_sem_init()
k_sem_take()
k_sem_give()
K_FOREVER
K_NO_WAIT

一、为什么需要 Semaphore？
假设有两个线程。

Thread A ↓ 采集ADC ↓ 处理完成

Thread B ↓ 等待ADC完成 ↓ 发送数据

如果没有同步：

Thread B while(1){if(adc_ready)send();}

这叫
Polling（轮询）

缺点：

浪费CPU 延迟高 不优雅

所以需要：

Thread A 完成工作 ↓

通知 Thread B

这个通知就是：
Semaphore

二、Semaphore 工作原理
可以理解成一个「令牌（token）」，用于控制对共享资源的访问。
初始：

Semaphore=0

Thread B

等待Semaphore

Thread A

完成工作 ↓ give Semaphore

Semaphore变成

1

Thread B立刻被唤醒。

流程：

Thread A give()│ ▼ Semaphore++ │ ▼ Thread B take()

继续运行Thread B
take()

继续运行 下面用时序图更直观地展示 `k_sem_give()` 唤醒线程的完整过程： ```mermaid sequenceDiagram participant A as Thread A participant S as Semaphore participant B as Thread B Note over B: 调用 k_sem_take() 等待 B->>S: k_sem_take(&my_sem, K_FOREVER) Note over S: 计数为 0，B 阻塞等待 A->>S: k_sem_give(&my_sem) Note over S: 计数 0 → 1 S-->>B: 唤醒等待中的线程 B B->>S: k_sem_take() 获取令牌 Note over S: 计数 1 → 0 Note over B: 继续运行

时序说明：线程 B 先调用k_sem_take()等待令牌，此时计数为 0，B 进入阻塞；线程 A 完成工作后调用k_sem_give()，信号量计数从 0 增加到 1，内核随即唤醒等待中的线程 B；B 被唤醒后通过k_sem_take()取走令牌，计数回到 0，B 继续执行后续逻辑。整个过程实现了「A 通知、B 等待」的线程同步。

三、Binary Semaphore

只有：

0

或者

1

类似：

门关着0

门打开1

这是 RTOS 中最常见的同步方式。

四、Counting Semaphore
例如：
最大值5

Semaphore0↓1↓2↓3↓4↓5

可以表示：
资源数量。

例如：

USB Buffer 剩余5个

每拿一个：

take()↓4

释放：

give()↓5

五、创建 Semaphore

Zephyr：

#include<zephyr/kernel.h>K_SEM_DEFINE(my_sem,0,1);

解释：

名字 my_sem

初始值：
0

最大值：
1

所以：
Binary Semaphore

如果：
K_SEM_DEFINE(my_sem, 0, 5);

就是：
Counting Semaphore

六、动态初始化
也可以：

structk_semsem;k_sem_init(&sem,0,1);

参数：

初值0

最大值

1

七、等待 Semaphore

线程等待：

k_sem_take(&my_sem,K_FOREVER);

意思：

一直等

直到：

别人give()

也可以：

k_sem_take(&my_sem,K_SECONDS(2));

等待：
2秒

超时：
返回错误

立即返回：

k_sem_take(&my_sem,K_NO_WAIT);

如果没有：
Semaphore
立即失败。

八、释放