【读书笔记】usOS-II——互斥型信号量（mutex）

2008-11-23

互斥型信号量（mutex）

互斥信号量功能：

1） 实现对资源的独占式访问（二值信号量）。

2） 降解优先级反转。

优先级反转：

使用实时内核,优先级反转问题是实时系统中出现得最多的问题。设，任务1优先级高于任务2，任务2优先级高于任务3。任务1和任务2处于挂起状态，等待某一事件的发生，任务3正在运行如[图2.7(1)]。此时，任务3要使用其共享资源。使用共享资源之前，首先必须得到该资源的信号量(Semaphore)(见2. 18.04信号量)。任务3得到了该信号量，并开始使用该共享资源[图2.7（2）]。由于任务1优先级高，它等待的事件到来之后剥夺了任务3的CPU使用权[图2.7(3)]，任务1开始运行[图2.7(4)]。运行过程中任务1也要使用那个任务3正在使用着的资源，由于该资源的信号量还被任务3占用着，任务1只能进入挂起状态，等待任务3释放该信号量[图2.7(5)]。任务3得以继续运行[图2.7(6)]。由于任务2的优先级高于任务3，当任务2等待的事件发生后，任务2剥夺了任务3的CPU的使用权[图2.7(7)]并开始运行。处理它该处理的事件[图2.7(8)]，直到处理完之后将CPU控制权还给任3[图2.7(9)]。任务3接着运行[图2.7(10)]，直到释放那个共享资源的信号量[图27(11)]。直到此时,由于实时内核知道有个高优先级的任务在等待这个信号量，内核做任务切换，使任务1得到该信号量并接着运行[图2.7(12)]。

在这种情况下,任务1优先级实际上降到了任务3 的优先级水平。因为任务1要等,直等到任务3释放占有的那个共享资源。由于任务2剥夺任务3的CPU使用权,使任务1的状况更加恶化,任务2使任务1增加了额外的延迟时间。任务1和任务2的优先级发生了反转。

纠正的方法可以是,在任务3使用共享资源时,提升任务3的优先级。任务完成时予以恢复。任务3的优先级必须升至最高,高于允许使用该资源的任何任务。多任务内核应允许动态改变任务的优先级以避免发生优先级反转现象。然而改变任务的优先级是很花时间的。如果任务3并没有先被任务1剥夺CPU使用权，又被任务2抢走了CPU使用权,花很多时间在共享资源使用前提升任务3的优先级,然后又在资源使用后花时间恢复任务3的优先级,则无形中浪费了很多CPU时间。真正需要的是,为防止发生优先级反转,内核能自动变换任务的优先级,这叫做优先级继承(Priority inheritance)。

互斥信号量降解优先级反转的过程：

设mutex已被低优先级的任务3占用。高优先级的任务1提出申请mutex（调用Pend（））。在这种情况下：

1） Pend函数注意到高优先级的任务要用这个共享资源，于是将任务3的优先级升高至9（创建mutex时指定，比任何提出申请mutex的任务的优先级都要高），并强制任务调度（由于任务3的优先级升高至9，因此任务3执行），任务3继续使用共享资源。当共享资源使用完后，任务3调用Post函数，释放mutex。

2） Post函数注意到原来占用这个mutex的任务的优先级是被太高的，于是将任务3的优先级恢复到原来水平。

3） Post还注意到有个高优先级的的任务（任务1）正在等待这个mutex，于是将mutex交给这个任务，并做任务切换，让任务1运行。

互斥信号量的组成：

l 一个标志，指示mutex是否可用（OS_MUTEX_AVAILABLE表示可用）。

l 一个优先级，即优先级继承优先级（PIP）。

l 一个等待mutex的任务列表。

创建一个互斥信号量：OSMutexCreate（）

互斥信号量创建初的几个成员的值：

OS_EVENT
OSEventType	OS_EVENT_TYPE_MUTEX
OSEventCnt	PIP	OS_MUTEX_AVAILABLE
OSEventPtr	NULL
OSEventGrp	0
OSEventTbl	0

PIP是该函数的参数，指定优先级继承优先级。当发生优先级反转时，将占用该mutex的任务的优先级太高到PIP。

等待（申请）一个互斥信号量：OSMutexPend（）

关键代码剖析：

void OSMutexPend (OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *err) { //不得在中断中调用该函数 if (OSIntNesting > 0) { *err = OS_ERR_PEND_ISR; return; } OS_ENTER_CRITICAL(); //信号量可用 if ((INT8U)(pevent->OSEventCnt & OS_MUTEX_KEEP_LOWER_8) == OS_MUTEX_AVAILABLE) { pevent->OSEventCnt &= OS_MUTEX_KEEP_UPPER_8; //将计数器低8为置成占用该mutex的任务（当前任务）的优先级。 pevent->OSEventCnt |= OSTCBCur->OSTCBPrio; //在mutex中保存占用信号量的任务：修改该mutex的OSEventPtr ，使其指向当前任务 pevent->OSEventPtr = (void *)OSTCBCur; OS_EXIT_CRITICAL(); //信号量可用，正常返回。 *err = OS_NO_ERR; return; } //信号量不可用：即已被占用 //从该信号量中获得PIP pip = (INT8U)(pevent->OSEventCnt >> 8); //从该信号量中获得占用该信号量的任务的优先级。 mprio = (INT8U)(pevent->OSEventCnt & OS_MUTEX_KEEP_LOWER_8); //从信号量中获得占用该信号量的任务 ptcb = (OS_TCB *)(pevent->OSEventPtr); /* 如果原先占用该mutex的优先级比提出申请该mutex的任务的优先级低 （mprio > OSTCBCur->OSTCBPrio），则提升原任务的优先级至PIP */ if (ptcb->OSTCBPrio != pip && mprio > OSTCBCur->OSTCBPrio) { if ((OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY] & ptcb->OSTCBBitX) != 0x00) { if ((OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY] &= ~ptcb->OSTCBBitX) == 0x00) { OSRdyGrp &= ~ptcb->OSTCBBitY; } //若原任务已就绪，则将其从就绪表中删除，并置就绪标志rdy rdy = TRUE; } else { rdy = FALSE; } //修改优先级，及相关参数 ptcb->OSTCBPrio = pip; ptcb->OSTCBY = ptcb->OSTCBPrio >> 3; ptcb->OSTCBBitY = OSMapTbl[ptcb->OSTCBY]; ptcb->OSTCBX = ptcb->OSTCBPrio & 0x07; ptcb->OSTCBBitX = OSMapTbl[ptcb->OSTCBX]; //如果原任务是就绪的，则继续让新的优先级就绪 if (rdy == TRUE) { OSRdyGrp |= ptcb->OSTCBBitY; OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY] |= ptcb->OSTCBBitX; } OSTCBPrioTbl[pip] = (OS_TCB *)ptcb; } //让提出申请的任务先等待（从就绪表中删除，如mutex的等待队列）……… OSTCBCur->OSTCBStat |= OS_STAT_MUTEX; OSTCBCur->OSTCBDly = timeout; OS_EventTaskWait(pevent); OS_EXIT_CRITICAL(); //执行任务切换（如果原来低优先级的任务优先级被抬高了，则该任务将被执行） OS_Sched(); OS_ENTER_CRITICAL(); //提出申请的任务被唤醒继续执行 if (OSTCBCur->OSTCBStat & OS_STAT_MUTEX) { //1）由于等待超时被定时器唤醒 OS_EventTO(pevent); OS_EXIT_CRITICAL(); *err = OS_TIMEOUT; return; } /* 2）原先占用mutex的任务执行完成释放了mutex 并唤醒了等待该mutex的最高优先级的任务 */ OSTCBCur->OSTCBEventPtr = (OS_EVENT *)0; OS_EXIT_CRITICAL(); *err = OS_NO_ERR; }

释放一个互斥信号量：OSMutexPost（）

关键代码剖析：

INT8U OSMutexPost (OS_EVENT *pevent) { //不得在中断中调用该函数 if (OSIntNesting > 0) { return (OS_ERR_POST_ISR); } OS_ENTER_CRITICAL(); //从该信号量中获得PIP pip = (INT8U)(pevent->OSEventCnt >> 8); /* 从该信号量中获得占用该信号量的任务的优先级。 在OSEventCnt中的低8位保存占用mutex的任务的原始优先级， 不随优先级的提高而改变。 */ prio = (INT8U)(pevent->OSEventCnt & OS_MUTEX_KEEP_LOWER_8); /* 确认释放mutex的任务确实是占用mutex的任务自身。 占用/申请mutex的任务的优先级可能是pip(被提高)，也可能是原先任务的优先级。 */ if (OSTCBCur->OSTCBPrio != pip && OSTCBCur->OSTCBPrio != prio) { OS_EXIT_CRITICAL(); //若释放mutex的任务非占用/申请的任务，则返回错误信息。 return (OS_ERR_NOT_MUTEX_OWNER); } //若当前释放mutex的任务的优先级为pip，则需将该任务的优先级降到原来水平 if (OSTCBCur->OSTCBPrio == pip) { //首先将pip从就绪表删除 if ((OSRdyTbl[OSTCBCur->OSTCBY] &= ~OSTCBCur->OSTCBBitX) == 0) { OSRdyGrp &= ~OSTCBCur->OSTCBBitY; } //将任务优先级修改为原始优先级，并修改相关参数 OSTCBCur->OSTCBPrio = prio; OSTCBCur->OSTCBY = prio >> 3; OSTCBCur->OSTCBBitY = OSMapTbl[OSTCBCur->OSTCBY]; OSTCBCur->OSTCBX = prio & 0x07; OSTCBCur->OSTCBBitX = OSMapTbl[OSTCBCur->OSTCBX]; //将修改优先级后的任务重新如就绪表 OSRdyGrp |= OSTCBCur->OSTCBBitY; OSRdyTbl[OSTCBCur->OSTCBY] |= OSTCBCur->OSTCBBitX; OSTCBPrioTbl[prio] = (OS_TCB *)OSTCBCur; } OSTCBPrioTbl[pip] = (OS_TCB *)1; //若mutex的等待列表不空，唤醒等待列表中最高优先级的任务，并将mutex分配给它 if (pevent->OSEventGrp != 0x00) { /* 唤醒等待列表中最高优先级的任务（从mutex等待列表中删除，使其入就绪表）， 清除等待任务的OS_STAT_MUTEX标志，并返回其优先级prio */ prio = OS_EventTaskRdy(pevent, (void *)0, OS_STAT_MUTEX); pevent->OSEventCnt &= OS_MUTEX_KEEP_UPPER_8; //将mutex分配给新任务：置OSEventCnt为prio pevent->OSEventCnt |= prio; //在mutex中保存占用信号量的任务 pevent->OSEventPtr = OSTCBPrioTbl[prio]; OS_EXIT_CRITICAL(); //任务切换（如果唤醒的任务优先级比当前任务高，则使唤醒的任务得到运行） OS_Sched(); return (OS_NO_ERR); } //mutex的等待列表为空，即该mutex可用：置mutex可用标志及占用任务指针。 pevent->OSEventCnt |= OS_MUTEX_AVAILABLE; pevent->OSEventPtr = (void *)0; OS_EXIT_CRITICAL(); return (OS_NO_ERR); }