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Practical RTOS Internals · 23/53

Semaphore 내부 구현 추적 — Counter·Wait List·ISR-Safe Variant

· Hawk · 4분 읽기

#한 줄 요약

“FreeRTOS Semaphore는 item size가 0인 Queue로 구현되어 있습니다.” Counter 역할은 Queue의 uxMessagesWaiting이 그대로 맡습니다.

#FreeRTOS Trick — Semaphore = Queue

#define xSemaphoreCreateBinary() \
xQueueGenericCreate(1, 0, queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE)
#define xSemaphoreTake(sem, t) xQueueSemaphoreTake(sem, t)
#define xSemaphoreGive(sem) xQueueGenericSend(sem, NULL, 0, queueSEND_TO_BACK)

Item size를 0으로 두고 Queue의 counter만 활용합니다. 같은 코드를 재사용하기 때문에 footprint도 작게 유지됩니다.

#Counter 동작

// Binary semaphore
SemaphoreHandle_t = Queue {
.uxLength = 1, // max count
.uxMessagesWaiting = 0, // current count
.uxItemSize = 0,
/* ... */
};
// Take (P) — counter--
BaseType_t xQueueSemaphoreTake(...) {
portENTER_CRITICAL();
if (uxMessagesWaiting > 0) {
uxMessagesWaiting--;
portEXIT_CRITICAL();
return pdPASS;
}
/* Empty — block */
prvAddCurrentTaskToWaitList(&xTasksWaitingToReceive);
portEXIT_CRITICAL();
block_with_timeout(timeout);
}
// Give (V) — counter++
BaseType_t xQueueGenericSend(...) {
portENTER_CRITICAL();
if (uxMessagesWaiting < uxLength) {
uxMessagesWaiting++;
/* Wake highest-priority waiter if any */
if (!list_empty(&xTasksWaitingToReceive)) {
TCB_t *winner = listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY(&xTasksWaitingToReceive);
xTaskRemoveFromEventList(&xTasksWaitingToReceive);
/* now winner is on Ready list */
}
portEXIT_CRITICAL();
return pdPASS;
}
portEXIT_CRITICAL();
return errQUEUE_FULL; // Counting sem이 max 도달
}

#Counting Semaphore

SemaphoreHandle_t sem = xSemaphoreCreateCounting(10, 0);
// ↑ ↑
// max initial

uxLength가 10이고 counter는 0과 10 사이를 오갑니다. 자원 풀이 10개인 셈입니다.

#Priority-Sorted Wait List

List_t xTasksWaitingToReceive; // sorted by task priority

Give 시점에 가장 높은 priority의 waiter를 먼저 깨웁니다. fair share가 아니라 RTOS priority를 우선합니다.

void prvAddCurrentTaskToWaitList(List_t *pxEventList) {
/* Priority value를 sort key로 사용 (역순) */
listSET_LIST_ITEM_VALUE(
&pxCurrentTCB->xEventListItem,
configMAX_PRIORITIES - pxCurrentTCB->uxPriority /* invert */
);
vListInsert(pxEventList, &pxCurrentTCB->xEventListItem);
}

높은 priority일수록 value가 작아 list 앞쪽에 배치됩니다. head를 pop하면 자연스럽게 highest priority가 나옵니다.

#ISR-Safe Variant

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR(SemaphoreHandle_t sem, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken) {
portENTER_CRITICAL_FROM_ISR(); // BASEPRI save·set
if (uxMessagesWaiting < uxLength) {
uxMessagesWaiting++;
if (!list_empty(&xTasksWaitingToReceive)) {
TCB_t *waiter = peek_head(&xTasksWaitingToReceive);
if (waiter->uxPriority > pxCurrentTCB->uxPriority) {
*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE;
}
xTaskRemoveFromEventList(&xTasksWaitingToReceive);
}
portEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(savedStatus);
return pdPASS;
}
portEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(savedStatus);
return errQUEUE_FULL;
}

차이점은 다음과 같습니다.

  • taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()로 BASEPRI를 저장·복원합니다.
  • Block 동작이 없으며 즉시 return합니다.
  • pxHigherPriorityTaskWoken 출력으로 ISR exit 시 yield 여부를 결정합니다.

#Take with Timeout

BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t sem, TickType_t xTicksToWait) {
/* ... 위 동일 ... */
if (uxMessagesWaiting == 0) {
if (xTicksToWait == 0) return pdFAIL;
prvAddCurrentTaskToWaitList(&xTasksWaitingToReceive);
vTaskPlaceOnEventList(&xTasksWaitingToReceive, xTicksToWait);
portEXIT_CRITICAL();
portYIELD_WITHIN_API(); // → Scheduler 호출
/* 깨어남 — wake 원인 확인 */
if (xTaskCheckForTimeOut(&xTimeOut, &xTicksToWait) != pdFALSE) {
/* Timeout */
uxListRemove(&pxCurrentTCB->xEventListItem);
return pdFAIL;
}
return pdPASS;
}
}

timeout 처리에서는 task를 delayed list에도 함께 등록합니다. timeout이 만료되면 tick ISR이 해당 task를 깨웁니다.

#Lost Wakeup 방지

// 단순 구현 (잘못된)
if (!flag) {
wait(); // ← (1)
}
// ISR이 flag=1로 만들고 signal — wait() 전이라면 lost

이 문제는 counter와 critical section을 함께 써서 해결합니다.

portENTER_CRITICAL();
if (counter == 0) {
add_to_wait_list();
portEXIT_CRITICAL();
block();
}

ISR은 counter를 보고 wake 여부를 결정하고, critical section은 race를 차단합니다.

#메모리

sizeof(Queue_t)80 byte
+ ListItem_t × waiter count
+ (Counting sem은 추가 메모리 없음 — 동일 80 byte)

전체적으로 작은 편이라 임베디드 환경에 부담이 적습니다.

#Mutex와의 차이

Mutex 역시 내부적으로 Queue를 사용합니다(queueQUEUE_TYPE_MUTEX).

SemaphoreMutex
uxQueueTypeBINARY_SEMAPHOREMUTEX
Owner 추적✓ (pxMutexHolder)
Priority inheritance
ISR Give

Mutex의 추가 로직은 owner check와 priority inheritance입니다. 3-03에서 자세히 살펴봅니다.

#Zephyr — k_sem

struct k_sem {
_wait_q_t wait_q; // doubly-linked list
uint32_t count;
uint32_t limit;
};

기본 구성은 counter와 wait queue로 같습니다. 다만 FreeRTOS의 Queue trick 없이 전용 구조를 둔다는 점이 다릅니다.

#자주 하는 실수

⚠️ Counting semaphore의 max를 넘겨 give합니다

추가로 give를 호출하면 errQUEUE_FULL이 반환되고 counter는 변하지 않습니다. 동작 자체는 정상이지만 return value를 반드시 확인해야 합니다.

⚠️ Wait list가 FIFO라고 가정합니다

FreeRTOS의 wait list는 priority-sorted입니다. FIFO 순서가 보장되는 것은 같은 priority의 task끼리뿐입니다.

⚠️ ISR에서 Take를 시도합니다

xSemaphoreTakeFromISR도 존재하지만 timeout 0 의미밖에 없어서 block할 수 없습니다. ISR과 task 간 신호 전달은 ISR에서 Give만 하는 패턴으로 설계합니다.

⚠️ Binary semaphore의 초기값을 임의로 가정합니다

xSemaphoreCreateBinary()는 count가 0으로 시작합니다. 첫 take가 즉시 block에 걸리므로 처음부터 available 상태가 필요하다면 생성 직후 xSemaphoreGive()를 호출해야 합니다.

#정리

  • FreeRTOS Semaphore는 item size가 0인 Queue를 재활용한 구조입니다.
  • counter와 priority-sorted wait list가 핵심입니다.
  • xSemaphoreGiveFromISRpxHigherPriorityTaskWoken 조합이 ISR signal의 표준 패턴입니다.
  • Lost wakeup은 counter와 critical section의 조합으로 차단합니다.
  • Mutex와 비교했을 때 차이는 owner 추적과 priority inheritance입니다.

다음 편에서는 Mutex 내부 구현에서 owner tracking과 priority inheritance를 다룹니다.

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