6.2POSIX线程间通信

6.2 POSIX线程间通信

使用 Xenomai 的 POSIX skin创建的POSIX线程，在同一进程内共享相同的地址空间，线程间直接共享同步对象，例如信号量，互斥锁，条件变量等等。

但是，Xenomai 不支持 POSIX 标准中的静态初始化。

1. POSIX 标准中的静态初始化

在 POSIX 标准里，为了方便静态互斥锁（mutex）和条件变量（condition variables）的初始化，定义了 PTHREAD_COND_INITIALIZER 和 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 这两个初始化器。借助这两个初始化器，开发者能够在声明静态互斥锁和条件变量时直接完成初始化，示例如下：

#include <pthread.h>

// 静态初始化互斥锁
pthread_mutex_t my_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
// 静态初始化条件变量
pthread_cond_t my_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

这种静态初始化方式简洁高效，能在程序启动时就完成对象的初始化，避免了额外的函数调用开销。

2. Xenomai POSIX 层的特殊需求

然而，Xenomai POSIX 层由于其自身的特性，需要通过系统调用来初始化互斥锁和条件变量。这意味着上述 POSIX 标准的静态初始化方式在 Xenomai 环境下无法正常工作，因为 PTHREAD_COND_INITIALIZER 和 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 无法完成 Xenomai 所需的系统调用初始化过程。

面对这个问题，有两种解决方案可供选择，最终Xenomai选择方案二。

• 方案一： 首次调用其他服务时初始化对象

第一种方案是在首次调用与互斥锁或条件变量相关的其他服务（如 pthread_mutex_lock 或 pthread_cond_wait）时，触发对象的初始化操作。但这种方案存在明显的缺陷。以 pthread_mutex_lock 为例，如果在该函数内部调用初始化例程，会引入额外的不确定性。因为初始化过程可能涉及系统调用，这会增加函数执行时间的不可预测性，破坏了用户对 pthread_mutex_lock 这类服务确定性的预期。在实时系统中，这种不确定性是非常致命的，可能会导致系统性能下降甚至出现错误。

• 方案二：要求用户调用初始化服务

第二种方案是要求用户主动调用 pthread_mutex_init 和 pthread_cond_init 函数来完成互斥锁和条件变量的初始化。这种方案的优点在于，用户可以在程序执行的非关键时期进行初始化操作，避免了在关键路径上引入额外的开销和不确定性。虽然这增加了用户的编程负担，但能保证系统的实时性和确定性。

综上，在使用 Xenomai POSIX 层的互斥锁和条件变量时，开发者需要仔细检查代码中所有使用静态初始化器的地方，并将其替换为在非关键时期调用 pthread_mutex_init 和 pthread_cond_init 函数。示例如下：

#include <pthread.h>

// 声明互斥锁和条件变量
pthread_mutex_t my_mutex;
pthread_cond_t my_cond;

int main() {
    // 在非关键时期初始化互斥锁
    if (pthread_mutex_init(&my_mutex, NULL) != 0) {
        // 处理初始化失败的情况
    }

    // 在非关键时期初始化条件变量
    if (pthread_cond_init(&my_cond, NULL) != 0) {
        // 处理初始化失败的情况
    }

    // 后续正常使用互斥锁和条件变量
    // ...

    // 程序结束时销毁互斥锁和条件变量
    pthread_mutex_destroy(&my_mutex);
    pthread_cond_destroy(&my_cond);

    return 0;
}

通过这种方式，可以确保在 Xenomai 环境下正确使用互斥锁和条件变量，同时保证系统的实时性和确定性。

3. Xenomai 实例

• 互斥锁 mutex ：testsuite/clocktest/clocktest.c

root@xeno-demo:~# clocktest
== Testing built-in CLOCK_REALTIME (0)
CPU      ToD offset [us] ToD drift [us/s]      warps max delta [us]
--- -------------------- ---------------- ---------- --------------
  0                  1.1           -0.024          0            0.0
  1                  1.2           -0.016          0            0.0
  2                  1.2            0.009          0            0.0
  3                  1.3           -0.002          0            0.0

• 互斥量和条件变量：demo/posix/cyclictest/cyclictest.c

为什么使用了静态初始化？

static pthread_cond_t refresh_on_max_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
static pthread_mutex_t refresh_on_max_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

static pthread_mutex_t break_thread_id_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;