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        能源控制器信號(hào)量死鎖問題分析及解決方案

        2021-12-17 11:22:21張晨宏鄔科科
        機(jī)電信息 2021年29期

        張晨宏 鄔科科

        摘 要:隨著我國(guó)智能電網(wǎng)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)采集設(shè)備已無法完全滿足當(dāng)前需求。配電臺(tái)區(qū)是營(yíng)銷與生產(chǎn)的交匯點(diǎn),傳統(tǒng)模式下,營(yíng)銷與生產(chǎn)雙方需要在臺(tái)區(qū)側(cè)分別安裝集中器和配變終端(TTU)兩種設(shè)備,但仍存在諸多問題。在此背景下,融合了Ⅰ型集中器、專變終端、二次回路巡檢儀和配電終端功能的能源控制器(ECU)應(yīng)運(yùn)而生。但在該全新產(chǎn)品開發(fā)過程中,由于技術(shù)新、難點(diǎn)多,各類問題頻出,例如液晶顯示菜單無序切換問題等,究其根本,實(shí)為信號(hào)量死鎖導(dǎo)致。基于此,提供了一套能源控制器信號(hào)量死鎖的解決方案。

        關(guān)鍵詞:能源控制器;信號(hào)量;死鎖

        0 引言

        能源控制器具備數(shù)據(jù)采集、智能費(fèi)控、時(shí)鐘同步、精確計(jì)量、回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)、停電事件上報(bào)等多種功能[1],不同功能從軟件層面被劃分成了不同的App。當(dāng)前能源控制器液晶顯示菜單存在無序切換的問題,通過分析發(fā)現(xiàn)根源是硬件接口層使用的信號(hào)量在第三方容器App中失效。進(jìn)一步深挖后發(fā)現(xiàn),目前使用的信號(hào)量機(jī)制中,當(dāng)進(jìn)程在持有鎖期間終止時(shí),會(huì)造成信號(hào)量死鎖,導(dǎo)致其他進(jìn)程異常,僅能通過重啟恢復(fù)。

        本文通過對(duì)死鎖問題的深度分析,提出一種將線程鎖與進(jìn)程鎖組合的方式,來實(shí)現(xiàn)多線程和多進(jìn)程下都適用的信號(hào)量,從而避免死鎖問題。

        1 信號(hào)量死鎖問題概述

        1.1 ? ?問題背景

        能源控制器應(yīng)用容器技術(shù)隔離運(yùn)行多個(gè)App,這就對(duì)多進(jìn)程間資源共享的同步措施提出了更高的要求。解決問題的關(guān)鍵在于:什么時(shí)候可以在不同進(jìn)程間共享某個(gè)信號(hào)量。

        在目前能源控制器的App框架下,被不同進(jìn)程訪問的Hal層,需要使用二值信號(hào)量對(duì)臨界區(qū)資源進(jìn)行保護(hù)。

        不同的進(jìn)程總是能夠訪問同一個(gè)有名信號(hào)量,只要它們?cè)谡{(diào)用sem_open時(shí)指定相同的名字。即使對(duì)于某個(gè)給定名字的sem_open調(diào)用,在每個(gè)調(diào)用進(jìn)程中可能返回不同的指針,使用該指針的信號(hào)量函數(shù)(例如sem_post和sem_wait)所引用的仍然是同一個(gè)有名信號(hào)量。

        1.2 ? ?信號(hào)量在容器中失效的原因分析

        在使用相同名字的前提下,需要了解有名信號(hào)量保存的具體位置。跟消息隊(duì)列類似,它保存在/dev/shm目錄中。在這個(gè)目錄中可以找到被創(chuàng)建了的、但是沒有調(diào)用sem_unlink的信號(hào)量。

        每個(gè)Docker容器都有一個(gè)本地存儲(chǔ)空間,用于保存層疊的鏡像層(Image Layer)以及掛載的容器文件系統(tǒng)。容器內(nèi)外的進(jìn)程要達(dá)到信號(hào)量共用的目的[2],需要容器與主機(jī)共享數(shù)據(jù)。用法是使用-v選項(xiàng)將host已經(jīng)存在的目錄或者文件掛載到容器。

        通過對(duì)信號(hào)量未失效容器和信號(hào)量失效容器的掛載配置信息的比對(duì),可以發(fā)現(xiàn)在信號(hào)量未失效容器中,容器同時(shí)掛載了主機(jī)的/dev和/dev/shm目錄,而信號(hào)量失效容器只掛載了主機(jī)的/dev目錄。這兩個(gè)目錄在主機(jī)上是兩個(gè)不同的掛載點(diǎn),文件系統(tǒng)也不同,/dev/shm是Linux中動(dòng)態(tài)大小的一個(gè)內(nèi)存文件系統(tǒng)分區(qū),如果容器只掛載了主機(jī)的/dev目錄,那么主機(jī)的/dev/shm目錄仍然對(duì)容器不可見。

        1.3 ? ?信號(hào)量死鎖的原因分析

        一個(gè)進(jìn)程終止時(shí),內(nèi)核對(duì)其仍然打開著的所有有名信號(hào)量自動(dòng)執(zhí)行關(guān)閉操作,不論該進(jìn)程是自愿終止的還是非自愿終止的,這種關(guān)閉都會(huì)發(fā)生。

        然而關(guān)閉一個(gè)信號(hào)量并沒有將它從系統(tǒng)中刪除。也就是說,即使當(dāng)前沒有進(jìn)程打開著某個(gè)信號(hào)量,它的值仍然保持。另外,當(dāng)持有信號(hào)量的進(jìn)程中止時(shí),該信號(hào)量的值也不改變。

        如圖1所示,在典型的持有鎖期間進(jìn)程終止現(xiàn)象的時(shí)序中,進(jìn)程2將一直阻塞。若semwait附帶超時(shí)參數(shù),將因?yàn)槌瑫r(shí)而返回失敗。即使不考慮進(jìn)程2,當(dāng)進(jìn)程1被守護(hù)進(jìn)程重啟運(yùn)行的時(shí)候,仍然會(huì)導(dǎo)致死鎖。

        當(dāng)進(jìn)程間共享一個(gè)信號(hào)量時(shí),持有該信號(hào)量的進(jìn)程在持有期間終止,無法讓系統(tǒng)自動(dòng)釋放持有的鎖。多線程間也是如此,一個(gè)線程在持有某個(gè)信號(hào)量時(shí)終止,起因可能是被動(dòng)(被另外一個(gè)線程取消)或主動(dòng)(調(diào)用pthread_exit)。合理的程序設(shè)計(jì),應(yīng)該在線程主動(dòng)退出或被動(dòng)取消時(shí),調(diào)用自定義的清理程序。但對(duì)于一個(gè)線程來說,致命的條件通常還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程終止。比如線程執(zhí)行了一個(gè)無效指針的訪問,從而引發(fā)了SIGSEGV信號(hào),那么一旦該信號(hào)未被捕獲,整個(gè)進(jìn)程就被它終止,從而導(dǎo)致死鎖。所以需要使用其他能在進(jìn)程終止時(shí)自動(dòng)釋放鎖的IPC方式,來代替POSIX信號(hào)量。

        2 信號(hào)量死鎖解決方案

        需求:

        (1)無須強(qiáng)制指定容器共享宿主機(jī)的目錄、文件,或指定特殊參數(shù);

        (2)使用的同步方法必須具有進(jìn)程退出時(shí)內(nèi)核自動(dòng)清理鎖的特性。

        通過線程鎖與進(jìn)程鎖組合的方式,可實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程和多線程下都適用的信號(hào)量,以滿足上述需求。

        2.1 ? ?線程鎖

        線程鎖通過一個(gè)互斥鎖+條件變量實(shí)現(xiàn)?;コ怄i(類型為pthread_mutex_t)用于保護(hù)代碼臨界區(qū),從而保證任何時(shí)刻只有一個(gè)線程在臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行。當(dāng)一個(gè)線程獲得某個(gè)互斥鎖后,需要等待某個(gè)條件變?yōu)檎?,也就是該線程可以等待在某個(gè)條件變量(類型為pthread_cond_t)上。該條件變量由另外某個(gè)線程向它發(fā)送信號(hào),通常以廣播方式(pthread_cond_broadcast)喚醒所有等待狀態(tài)的線程。

        2.2 ? ?進(jìn)程鎖

        利用文件鎖(即記錄上鎖record locking)可以有多個(gè)讀出鎖,但只能有一個(gè)寫入鎖的特征,僅使用整個(gè)文件范圍的寫鎖,來構(gòu)造一個(gè)進(jìn)程鎖。并且該類型鎖具備進(jìn)程終止時(shí)由內(nèi)核完成已有鎖清理工作的特征。常用方式為fcntl函數(shù),和一個(gè)文件描述符綁定,因此對(duì)于容器和宿主機(jī)共享文件鎖,可以自由適當(dāng)?shù)刂付ㄎ募恢谩?/p>

        線程鎖的加解鎖過程如圖2所示。

        2.3 ? ?線程鎖與進(jìn)程鎖組合

        通過把進(jìn)程鎖當(dāng)作線程鎖臨界保護(hù)區(qū)對(duì)象,達(dá)到多線程在同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程獲取進(jìn)程鎖的目的,而進(jìn)程鎖本身又保證了多進(jìn)程對(duì)臨界區(qū)的保護(hù)??紤]到延時(shí)場(chǎng)景,加鎖流程如圖3所示。

        3 結(jié)語

        本文分析了能源控制器信號(hào)量死鎖的原因,針對(duì)該問題及原因分析,提出了通過線程鎖與進(jìn)程鎖組合的解決方案,不僅可以滿足能源控制器的開發(fā)需求,解決液晶顯示菜單無序切換等問題,還能在其他平臺(tái)同步使用該方案,降低信號(hào)量死鎖的可能性。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 何鑫,杜杰,尹璐.用電信息采集系統(tǒng)在配網(wǎng)運(yùn)維管理中的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界,2019,26(3):49-52.

        [2] 秦桂云.操作系統(tǒng)中的死鎖問題[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2019(16):23-24.

        收稿日期:2021-09-01

        作者簡(jiǎn)介:張晨宏(1995—),男,浙江臺(tái)州人,碩士,軟件開發(fā)助理工程師,研究方向:電力智能采集系統(tǒng)。

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