在嵌入式系统中，经常会涉及资源共享或流程时序控制等需求，此时就需要在生产者与消费者之间，插入同步逻辑，以保证数据一致性和流程时序。下面就罗列了一些在裸机、rtos和linux下常用的同步手段。

一、裸机（无 OS 前后台架构）

同步手段 1：开关中断（屏蔽中断）

原理：进入临界区前关全局 / 局部中断，执行完再开中断

适用场景

• 保护全局变量、硬件寄存器
• 中断与主循环共享资源互斥
• 极简临界区保护

• 关中断时间不能太长，否则丢中断、实时性变差
• 无法做多任务优先级管理
• 只适合简单系统，不适合复杂并发

同步手段 2：全局标志位 / 状态变量

原理：中断置标志，主循环轮询判断

适用场景

• 中断给主循环发事件通知（串口接收、定时器事件）
• 异步事件解耦

• 轮询空耗 CPU
• 无阻塞等待，只能轮询
• 多事件复杂逻辑不好管理

同步手段 3：忙等待（自旋轮询）

原理：while(!ready); 死等条件满足

适用场景

• 等待硬件外设就绪（SPI/Flash 状态位）
• 极短时间等待

• 独占 CPU，无法做其他任务
• 等待时间不可控，不适合实时系统

同步手段 4：内存屏障（编译器 / CPU 屏障）

原理：阻止编译器乱序、CPU 流水线乱序

适用场景

• 多核裸机、寄存器操作、共享内存

• 只解决指令乱序，不解决并发竞争
• 必须配合关中断 / 标志位一起用

二、RTOS（FreeRTOS/RT-Thread/uC/ 鸿蒙轻量）

1. 二值信号量

场景：任务 ↔ 中断 同步、任务间事件唤醒

限制

• 不适合资源计数
• 无法保护多临界区嵌套

2. 计数信号量

场景：资源池管理（串口、缓冲区、硬件资源）、生产者消费者

限制：无所有权概念，谁都能释放，容易误释放

3. 互斥锁 Mutex

场景：多任务独占共享资源（外设、全局结构体）

限制

• 中断上下文不能用
• 有优先级继承，但仍可能死锁
• 不能递归嵌套（部分 RTOS 支持递归互斥锁）

4. 事件组 Event Group

场景：一个任务等待多个事件组合触发

限制

• 只做事件同步，不适合数据传递
• 不适合精细资源互斥

5. 消息队列

场景：任务间带数据同步 + 通信，生产者->消费者

限制

• 有内存开销
• 适合整包消息，不适合简单临界区保护

6. 挂起调度器（锁任务调度）

场景：保护较长临界区，不想关中断

限制

• 全局禁止任务切换，所有高优先级任务都不能抢占
• 实时性下降，不能在中断里使用

7. 中断专用同步（ISR 版信号量 / 队列）

场景：中断里唤醒任务

限制

• 中断里禁止用 Mutex、不能阻塞
• 只能用非阻塞 ISR 接口

三、Linux

（一）Linux 用户态 同步手段

1. 互斥锁 pthread_mutex

场景：多线程临界区互斥、共享变量保护

限制

• 只能同进程线程间使用
• 加锁后不可重复加（普通锁），容易死锁

2. 条件变量 pthread_cond

场景：线程等待某个条件满足（生产者 - 消费者）

限制

• 必须搭配 mutex 使用
• 存在虚假唤醒，必须 while 循环判断

3. 读写锁 rwlock

场景：读多写少 场景（配置表、状态全局变量）

限制

• 写饥饿问题
• 复杂度高于普通互斥锁

4. 自旋锁 pthread_spinlock

场景：临界区执行极短，不想休眠切换线程

限制

• 等待时 CPU 空转，占用高
• 不适合临界区耗时久的场景

5. 无名 / 有名信号量 sem_t

场景：多线程、多进程间同步

限制

• 无所有权，可被任意进程释放
• 不适合复杂互斥逻辑

6. 文件锁 flock/fcntl

场景：多进程对同一文件、资源互斥

限制

• 只能做进程级粗粒度互斥
• 不能用于内存变量同步

（二）Linux 内核态 同步手段

1. 自旋锁 spinlock_t

场景：SMP 多核、中断上下文、临界区很短

限制

• 禁止睡眠，不能调用会阻塞的函数
• 等待时 CPU 忙循环

2. 互斥锁 struct mutex

场景：进程上下文、临界区可睡眠、耗时较长

限制

• 中断 / 软中断上下文不能用
• 只能进程上下文

3. 内核信号量 semaphore

场景：资源计数、进程间同步、可阻塞等待

限制

• 比 mutex 重，开销大
• 不适合高频短临界区

4. 关中断 + 自旋锁（spinlock_irqsave）

场景：防止任务与中断、多核同时竞争资源

限制

• 关中断会轻微影响系统实时性
• 临界区必须短小

5. 完成量 completion

场景：内核异步等待（驱动等待硬件就绪、初始化完成）

限制：专用于一次性等待，不适合循环互斥

6. RCU 读写同步

场景：读极多、写极少 内核数据结构（路由表、设备链表）

限制

• 接口复杂、有延迟回收
• 普通驱动很少用，只适合核心子系统