信号量与优先级翻转的分析

1965年，荷兰学者Dijkstra提出了利用信号量机制解决进程同步问题，信号量正式成为有效的进程同步工具，现在信号量机制被广泛的用于单处理机和多处理机系统以及计算机网络中。

信号量S是一个整数，S大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但S小于零时则表示正在等待使用临界区的进程数。

Dijkstra同时提出了对信号量操作的PV原语。

P原语操作的动作是：

　　（1）S减1；
　　（2）若S减1后仍大于或等于零，则进程继续执行；

　　（3）若S减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。

V原语操作的动作是：

　　（1）S加1；
　　（2）若相加结果大于零，则进程继续执行；

　　（3）若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。

PV操作对于每一个进程来说，都只能进行一次，而且必须成对使用。在PV原语执行期间不允许有中断的发生。

互斥信号量和二进制信号量的区别：1）互斥型信号量必须是同一个任务申请，同一个任务释放，其他任务释放无效，同一个任务可以递归申请。2）二进制信号量，一个任务申请成功后，可以由另一个任务释放。

二进制信号量实现任务互斥：打印机资源只有一个，abc三个任务共享，当a取得使用权后，为了防止其他任务错误地释放了信号量()，必须将打印机房的门关起来(进入临界段)，用完后，释放信号量，再把门打开(出临界段)，其他任务再进去打印。(而互斥型信号量由于必须由取得信号量的那个任务释放，故不会出现其他任务错误地释放了信号量的情况出现，故不需要有临界段。互斥型信号量是二进制信号量的子集。)
二进制信号量实现任务同步：a任务一直等待信号量，b任务定时释放信号量，完成同步功能。

互斥量(Mutex) ：互斥量表现互斥现象的数据结构，也被当作二元信号灯。一个互斥基本上是一个多任务敏感的二元信号，它能用作同步多任务的行为，它常用作保护从中断来的临界段代码并且在共享同步使用的资源。

Mutex本质上说就是一把锁，提供对资源的独占访问，所以Mutex主要的作用是用于互斥。Mutex对象的值，只有0和1两个值。这两个值也分别代表了Mutex的两种状态。值为0, 表示锁定状态，当前对象被锁定，用户进程/线程如果试图Lock临界资源，则进入排队等待；值为1，表示空闲状态，当前对象为空闲，用户进程/线程可以Lock临界资源，之后Mutex值减1变为0。Mutex可以被抽象为四个操作： - 创建 Create- 加锁 Lock- 解锁 Unlock- 销毁 Destroy。

Mutex被创建时可以有初始值，表示Mutex被创建后，是锁定状态还是空闲状态。在同一个线程中，为了防止死锁，系统不允许连续两次对Mutex加锁(系统一般会在第二次调用立刻返回)。也就是说，加锁和解锁这两个对应的操作，需要在同一个线程中完成。

操作系统的优先级反转：如果任务之间由于有共享资源出现了竞争或者死锁，是会严重影响系统安全的。因此uC／OS对共享资源提供了保护机制。一般情况下使用的是信号量方法。创建一个信号量并对他进行初始化，当一个任务需要使用一个共享资源时，他必须先申请得到这个信号量。在这个过程中即使有优先权更高的任务进入了就绪态，因为无法得到信号量，也不能使用该资源。在uC／OS中称为优先级反转。简单地说，就是高优先级任务必须等待低优先级任务的完成。

互斥信号量解决任务优先级反转：使获得信号量的任务的优先级别在使用共享资源期间暂时提升到所有任务最高优先级的高一个级别上，以使该任务不被其他任务所打断，从而能尽快的使用完共享资源并释放信号量，然后在释放信号量之后，再恢复该任务原来的优先级别。(可以通过线程的属性来动态的修改线程的优先级)

优先级反转+解决方案 
1. 优先级反转(Priority Inversion)： 由于多进程共享资源，具有最高优先权的进程被低优先级进程阻塞，反而使具有中优先级的进程先于高优先级的进程执行，导致系统的崩溃。这就是所谓的优先级反转(Priority Inversion)。

2. 产生原因： 其实,优先级反转是在高优级(假设为A)的任务要访问一个被低优先级任务(假设为C)占有的资源时,被阻塞.而此时又有优先级高于占有资源的任务(C)而低于被阻塞的任务(A)的优先级的任务(假设为B)时,于是,占有资源的任务就被挂起(占有的资源仍为它占有),因为占有资源的任务优先级很低,所以,它可能一直被另外的任务挂起.而它占有的资源也就一直不能释放,这样,引起任务A一直没办法执行.而比它优先低的任务却可以执行。所以,一个解决办法就是提高占有资源任务的优先级,让它正常执行,然后释放资源,以让任务A能正常获取资源而得以执行。


3. 解决方案 ( 优先级继承 / 优先级天花板 )：目前解决优先级反转有许多种方法。其中普遍使用的有2种方法：一种被称作优先级继承(priority inheritance)；另一种被称作优先级极限(priority ceilings)。

A. 优先级继承(priority inheritance) ：优先级继承是指将低优先级任务的优先级提升到等待它所占有的资源的最高优先级任务的优先级.当高优先级任务由于等待资源而被阻塞时,此时资源的拥有者的优先级将会自动被提升。

B. 优先级天花板(priority ceilings)：  优先级天花板是指将申请某资源的任务的优先级提升到可能访问该资源的所有任务中最高优先级任务的优先级.(这个优先级称为该资源的优先级天花板) 。

A 和B的区别: 优先级继承,只有当占有资源的低优先级的任务被阻塞时,才会提高占有资源任务的优先级,而优先级天花板,不论是否发生阻塞,都提升。

(可以通过线程的属性来动态的修改线程的优先级)