7.4 Highest Locker Protocol/Pattern

Bruce Powel Douglass大师介绍-优快云博客https://blog.youkuaiyun.com/ChatCoding/article/details/134665868嵌入式软件开发从小工到专家-优快云博客https://blog.youkuaiyun.com/ChatCoding/article/details/135297955C嵌入式编程设计模式源码-优快云博客https://blog.youkuaiyun.com/ChatCoding/article/details/134819019

最高锁定模式虽然可以减少优先级反转的情况，但并不能保证完全避免死锁。其他模式，如有序锁定模式（Ordered Locking Pattern）和同时锁定模式（Simultaneous Locking Pattern），则提供了避免死锁的其他方法。

7.4.1 抽象

最高锁定模式是解决无界阻塞/无界优先级反转问题的另一种解决方案。

• 最高锁定模式为每个资源定义了一个优先级上限。

• 在最高锁定模式下，如果任务没有阻塞任何更高优先级的任务，则其优先级不会提升。只有当任务阻塞了一个或多个更高优先级的任务时，任务的优先级才会提升到其所持有资源中最高的优先级。

HLP（Highest Locker Protocol）:

• 一步到位: HLP 会直接将任务的优先级提升到资源的上限优先级。
• 快速响应: HLP 可以快速响应高优先级任务的资源请求，避免高优先级任务长时间阻塞。

PIP（Priority Inheritance Protocol ）:

• 逐步提升: PIP 会逐步提升任务的优先级，每当被阻塞任务的优先级高于当前优先级，则提升一次持有资源任务的优先级。
• 响应速度慢: PIP 的响应速度相对较慢，因为需要多次提升才能达到最终的优先级。

• 这限制了优先级反转：任务的优先级只能提升到其所持有的资源的最高优先级，因此，因资源竞争而导致的优先级反转最多发生一次。
• 它与优先级继承模式不同：任务在拥有资源时被更高优先级的任务抢占（这个更高优先级的任务不需要当前已被锁定的资源），不会发生链式阻塞。

在最高锁定模式（Highest Locker Pattern）中，当一个任务在拥有资源时被抢占，不会发生链式阻塞，因为如果它需要这个资源，它的优先级就不会比资源的优先级上限还高，所以它无法抢占。因此，就不会有一个任务在等待另一个任务释放资源时被阻塞，进而导致链式阻塞。

只要任务在拥有资源时不自行挂起，这种设计避免了任务在拥有资源时被抢占导致的链式阻塞。

• 任务在拥有资源时主动挂起自己，可能会出现链式阻塞，类似于优先级继承模式（Priority Inheritance Pattern），因此可能会出现死锁情况。

任务在拥有资源时主动挂起可能会导致链式阻塞，因为这种行为可能违反了最高锁定模式的规则。在最高锁定模式中，任务在获取资源时会提升到该资源的优先级上限，以此来限制优先级反转。

然而，如果任务在持有资源的同时挂起自己，它就无法释放资源，如果有其他任务需要这些被挂起任务持有的资源，它们也会被阻塞。

如果这些被阻塞的任务又持有其他资源，那么又会有更多的任务因为等待这些资源而被阻塞，从而形成一条阻塞链。这种链式阻塞可能会涉及多个任务和资源，最终可能导致系统的运行效率降低，甚至出现死锁的情况。

为了避免死锁，应该确保任务在拥有资源时不会挂起自己。如果系统允许任务在拥有资源时挂起自己，那么就需要像处理优先级继承模式那样计算最坏情况下的阻塞时间（遍历链式阻塞的最长情况）。

• 只要拥有资源的任务不将自己挂起，就不会出现死锁的情况。

为了避免死锁，需要打破死锁的四个必要条件中的至少一个。最高锁定模式主要是通过限制优先级反转来解决无界阻塞/无界优先级反转问题，但它并没有直接解决死锁问题。相比之下，优先级上限模式（Priority Ceiling Pattern）旨在限制最大优先级反转到单一级别，并完全防止基于资源的死锁。

7.4.2 问题

解决资源竞争而导致的：无限优先级反转。

7.4.3 模式结构：

图 7-10：最高锁定模式

最高锁定模式的结构元素与优先级继承模式类似，如图 7-10 所示。唯一的区别在于共享资源新增了名为 priorityCeiling 的属性。

该模式通过为每个可锁定资源定义一个上限优先级priorityCeiling 。priorityCeiling 仅比资源最高优先级客户端的优先级稍高一级，并在设计时确定。当资源被锁定时，锁定任务的优先级会提升到该资源的上限优先级。

7.4.4 协作角色：

抽象线程 (Abstract Thread)

• 抽象类，不可直接实例化。
• 与调度器关联，保证接口一致性。
• 抽象线程是一个“活动”对象，意味着它创建时会创建一个线程用于运行。它通过组合关系包含一些被动对象，这些被动对象在“活动”对象的线程中执行。

具体线程 (Concrete Thread)

• 可实例化的抽象线程子类。
• 用于包含执行系统实际工作的“语义对象”。
• 提供将这些语义对象纳入并发架构的直接方式。

互斥锁 (Mutex)

互斥锁是一个互斥信号量对象，一次只允许一个调用者通过。共享资源的操作每当调用相关服务时都会调用它，在启动服务之前将其锁定，并在服务完成后将其解锁。

• 一次只允许一个调用者通过互斥信号量访问共享资源。
• 共享资源的服务调用会锁定它，完成后解锁。
• 尝试调用已锁定的资源则会被阻塞，直到互斥锁解锁。
• 互斥信号量向调度器发送信号，通知调度器当前活动线程尝试调用互斥信号量，并提供互斥信号量 ID （用于以后释放时解锁）和入口点（线程继续执行的位置）。

调度器 (Scheduler)

• 调度器根据线程优先级协调多个线程的执行，始终运行就绪队列中具有最高优先级的任务。
• 当“活动”线程对象创建时，它会调用 createThread 操作为其创建一个任务。
  • 当任务未被阻塞或抢占，调度器会调用 StartAddr 地址从头开始执行此任务，
  • 当任务已被阻塞或抢占，调度器则会调用 EntryPoint 地址继续执行此任务。
• 在最高锁定模式中，当互斥锁试图访问已被锁定的资源时，调度器会：
  • 阻塞请求任务，将其放入阻塞队列中。
  • 将拥有资源的任务的优先级提升到共享资源的 priorityCeiling。

共享资源 (Shared Resource)

• 共享资源是多个线程共享的对象。为了保证系统正常运行，所有共享资源要么是可重入的，要么必须受到保护。
• 当线程尝试使用受保护的资源时，会检查资源关联的互斥锁。如果被锁定，则将任务放入阻塞队列，并将其重新进入点记录在 TCB 中。
• 共享资源有一个名为 priorityCeiling 的常量属性，其值要比能访问该资源的最高优先级的任务的优先级要高一级，这确保了当资源被锁定时，使用该资源的其他任务不能抢占它。

任务控制块 (Task Control Block, TCB)

• TCB包含与其对应的线程对象相关的调度信息，包括线程的优先级、默认启动地址以及在完成之前被抢占或阻塞时的入口地址。
• 调度器为每个现有线程维护一个 TCB 对象。TCB 记录线程的当前优先级（可能因资源访问和阻塞而提升）及其初始默认优先级。