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)。