優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題以及解決方式

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1、優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題以及解決方式優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的問題是每一個實時操作系統(tǒng)所必須考慮到的問題，也是嵌入式軟件面試所常提問的問題。下面會詳細(xì)闡述優(yōu)先級反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的根源，以及解決方式。首先來談?wù)剝?yōu)先級反轉(zhuǎn)問題的出現(xiàn)的方式。下圖是演示優(yōu)先級反轉(zhuǎn)出現(xiàn)的問題。假設(shè)有3個任務(wù)task1優(yōu)先級最高，task2優(yōu)先級其次，task3優(yōu)先級最低。假設(shè)task1，task2分別阻塞在內(nèi)核對象上比如queue等，然后輪到task3去運行,首先task3獲得了一個semaphore鎖，然后運行了一段時間后，中斷喚醒了task1,出中斷的時候馬上跑task1,因為task1的優(yōu)先級高，然后task1也嘗試去獲得semaphore鎖

2、，但是task3已經(jīng)得到了這個鎖，所以task1只能睡眠，輪到task3繼續(xù)跑，這個時候中斷喚醒了task2,出中斷的時候輪到task2去跑，因為task2的優(yōu)先級比task1要高。task2運行完了然后給task3跑，task3跑完了才輪到task1去跑。以上的現(xiàn)象就是一個完整的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的問題出現(xiàn)的現(xiàn)象，整個邏輯貌似都是完全沒有任何問題的，唯一的問題就是task2跑完了再去跑task1,也就是說task2插了一腳。task2的優(yōu)先級比起task1要低的，這樣的話task1要同時承受task2和task3跑完才能繼續(xù)跑。承受task3跑完是沒有任何爭議的，因為臨界區(qū)的原因，task1只能等

3、task3跑完，但是task1等待task2跑完確是不應(yīng)該的，因為這兩個任務(wù)之間毫無關(guān)系。解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的方式有兩種，第一種是優(yōu)先級置頂?shù)姆椒?，第二種是優(yōu)先級繼承的方法，詳細(xì)請參考以下mutex章節(jié)。Mutex工作原理以及應(yīng)用mutex的出現(xiàn)是為了解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的問題，由于優(yōu)先級反轉(zhuǎn)對實時性影響太大，所以mutex的穩(wěn)定性直接影響了實時性?？v觀目前多種實時操作系統(tǒng)mutex的設(shè)計原理是多多少少有一點問題的，很多rtos沒有實現(xiàn)mutex優(yōu)先級逐步還原的問題，導(dǎo)致了實時性以及其它的一些邏輯錯誤等等。rawos的mutex模塊成功彌補了其它實時系統(tǒng)在這方面的不足。Rawos的mutex同時支持優(yōu)

4、先級置頂和優(yōu)先級繼承的方式來解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的問題。優(yōu)先級置頂方法需要給每一個mutex靜態(tài)指定一個優(yōu)先級，第一個獲得mutex的任務(wù)會把優(yōu)先級提高到靜態(tài)指定的優(yōu)先級。優(yōu)先級置頂?shù)姆椒ㄐ枰迅偁庍@個mutex的所有任務(wù)優(yōu)先級都要搞清楚，通常適用于系統(tǒng)中運行的任務(wù)優(yōu)先級不改變的情況。如果一個任務(wù)會獲得多層嵌套的mutex鎖，這個時候使用優(yōu)先級繼承的方法設(shè)計不好的話容易死鎖，但是使用優(yōu)先級置頂?shù)姆椒軌虮苊獯朔N情況出現(xiàn)。下圖是任務(wù)t3獲得mutx1的情況，示例如下:假設(shè)訪問mutex1的任務(wù)有t1,t2,t3,t1的優(yōu)先級為20，t2的優(yōu)先級為25，t3優(yōu)先級為30，數(shù)字越小表明優(yōu)先級越高。這個時

5、候mutex1指定的優(yōu)先級置頂?shù)膬?yōu)先級是19，即比t1,t2的優(yōu)先級要高。假設(shè)任務(wù)t3的首先獲得mutex1,這個時候任務(wù)t3的優(yōu)先級會提升為19，所以t3會運行完之后釋放鎖輪到t1運行綜上所述，優(yōu)先級置頂?shù)脑捫枰孪褥o態(tài)分析清楚，的確是比較麻煩的，好處是系統(tǒng)可以一目了然，不存在暗箱，做到系統(tǒng)每一個點都是很清楚。再來談?wù)剝?yōu)先級繼承的方法,所謂優(yōu)先級繼承的含義是，當(dāng)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)發(fā)生的時候，低優(yōu)先級任務(wù)的優(yōu)先級被自動提升為高優(yōu)先任務(wù)的優(yōu)先級,示例如下：假設(shè)任務(wù)t3的優(yōu)先級為30,t2優(yōu)先級為25，t1優(yōu)先級為20。因為數(shù)字越小優(yōu)先級越高，所以t1優(yōu)先級大于t2,t2優(yōu)先級大于t3。假設(shè)t1和t2處

6、于休眠狀態(tài)，t3會運行首先獲得了鎖，然后在一個時間點高優(yōu)先級任務(wù)t1被喚醒，搶占了t3,然后t1也嘗試去獲得鎖，因為t3已經(jīng)獲得了鎖，所以t1只能睡眠，就在此時，任務(wù)t3的優(yōu)先級被任務(wù)t1拉升為20。任務(wù)t3會接著繼續(xù)運行，如果此時t2被喚醒，因為優(yōu)先級低于t3,所以不會搶占t3,所以t3會繼續(xù)運行直到釋放鎖，然后t3的優(yōu)先級會被還原到最初值，接著輪到最高優(yōu)先級任務(wù)t1運行。整個過程的關(guān)鍵是中間優(yōu)先級的任務(wù)t2不會打斷t3,也就避免了優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的問題。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的問題掌握著實時系統(tǒng)的命脈，這個問題上處理的不當(dāng)?shù)迷?，用戶的系統(tǒng)實時性是得不到任何保障的，縱觀目前的RTOS在mutex這個問題上很

7、多都是處理的不當(dāng)?shù)?，具體以下分析代碼會細(xì)談這個問題。Mutexapi應(yīng)用1RAW_U16raw_mutex_create(RAW_MUTEX*mutex_ptr,RAW_U8*name_ptr,RAW_U8policy,RAW_U8ceiling_prio)函數(shù)功能：此函數(shù)創(chuàng)建了一個mutex.此函數(shù)的參數(shù)有4個，分別含義如下:mutex_ptr為RAW_MUTEX實體控制塊的地址。name_ptr是這個mu