葉柯陽 王宜懷 徐婷婷 劉長勇

1(蘇州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州 215006) 2(武夷學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院 福建 武夷山 354300)

0 引 言

mbedOS是一款面向ARM Cortex-M系列處理器的開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Real-Time Operating System，RTOS)[1]。它于2014年由ARM公司推出，專為物聯(lián)網(wǎng) (Internet of Things，IoT) 中的“物體”設(shè)計(jì)[2]，包含了開發(fā)基于Arm Cortex-M微控制器的聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品所需的所有特性，包括安全性、連接性、RTOS傳感器和I/O設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，具有堆棧共用和事件驅(qū)動(dòng)兩大代表性特點(diǎn)。

目前，針對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題的研究集中在VxWorks操作系統(tǒng)、WinCE操作系統(tǒng)、μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)等，而對(duì)mbedOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題的機(jī)制研究方面缺乏相關(guān)材料。為此，本文將利用Cortex-M4內(nèi)核的STM32微控制器，基于Kinetis Design Studio 3.1.0 IDE開發(fā)環(huán)境和SD-mbedOS工程框架[3]，通過一個(gè)測試工程對(duì)mbedOS避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題的機(jī)制進(jìn)行分析，剖析其從各線程啟動(dòng)，到申請(qǐng)互斥量，再到最終釋放互斥量的全過程，結(jié)合相關(guān)函數(shù)、關(guān)鍵代碼、流程圖、時(shí)序圖等分析其實(shí)現(xiàn)的原理。通過對(duì)mbedOS避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題機(jī)制的剖析，可為 mbedOS的應(yīng)用研究和在不同微控制器上的移植提供基礎(chǔ)，也可為不同實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題機(jī)制的比較分析提供參考。

1 優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題描述

1.1 歷史問題

“火星探路者”于1997年7月4日在火星表面著陸。在開始的幾天內(nèi)工作穩(wěn)定，并傳回大量數(shù)據(jù)，但是幾天后，“探路者”開始出現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位、數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。究其原因是發(fā)生了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題[4]。

1.2 一般性描述

當(dāng)線程以獨(dú)占方式使用共享資源時(shí)，可能出現(xiàn)低優(yōu)先級(jí)線程先于高優(yōu)先級(jí)線程被運(yùn)行的現(xiàn)象，這就是優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題，可進(jìn)行如下一般性描述。

假設(shè)有三個(gè)線程Ta、Tb、Tc，其優(yōu)先級(jí)分別記為Pa、Pb、Pc，且有Pa>Pb>Pc，Ta和Tc使用一個(gè)共享資源S，Tb并不使用共享資源S，用信號(hào)量x(x=0,1)標(biāo)識(shí)對(duì)S的獨(dú)占訪問，初始時(shí)x=1，表示可獨(dú)占S。設(shè)t0時(shí)刻，Tc先運(yùn)行并獲取信號(hào)量(即x由1變?yōu)?，表示S已被占用)，使用S。t1時(shí)刻，Ta被調(diào)度運(yùn)行，因?yàn)镻a>Pc，故搶占Tc獲得CPU使用權(quán)。Ta運(yùn)行至t2時(shí)刻，需訪問S，但Tc并沒有釋放S(即x仍為0)，所以Ta放入阻塞隊(duì)列，直到x=1，才能從阻塞隊(duì)列中移出，放入就緒隊(duì)列，被重新調(diào)度運(yùn)行。t3時(shí)刻，Tb搶占Tc獲得運(yùn)行，此時(shí)就出現(xiàn)了Tb雖然優(yōu)先級(jí)比Ta低，卻比Ta先運(yùn)行的現(xiàn)象，不合理，這就是優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題。表1給出了上述過程的運(yùn)行時(shí)序。

表1 優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)過程

1.3 避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題的意義

對(duì)于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來說，最重要的指標(biāo)在于確認(rèn)線程執(zhí)行的時(shí)間是可預(yù)測的，即要確保在任何時(shí)刻執(zhí)行某個(gè)線程都不能超過某個(gè)特定的時(shí)間。然而由于本身基于優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)的線程，每個(gè)優(yōu)先級(jí)不同的線程往往對(duì)應(yīng)著現(xiàn)實(shí)中執(zhí)行的任務(wù)，若發(fā)生了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)線程比高優(yōu)先級(jí)線程先執(zhí)行，造成線程調(diào)度時(shí)時(shí)間的不確定性，破壞實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此處理好這類問題對(duì)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。

2 優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題避免方法

2.1 基本方法

常見的避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)方法一般有兩種，分別為優(yōu)先級(jí)繼承和優(yōu)先級(jí)天花板。

(1) 優(yōu)先級(jí)繼承。優(yōu)先級(jí)繼承(priority inheritance)是指通過臨時(shí)提升持有資源的低優(yōu)先級(jí)線程的優(yōu)先級(jí)至請(qǐng)求訪問同一資源的高優(yōu)先級(jí)線程的優(yōu)先級(jí)來避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的方法[5]。

(2)優(yōu)先級(jí)天花板。優(yōu)先級(jí)天花板(priority ceiling)是指通過將申請(qǐng)并得到資源的線程的優(yōu)先級(jí)臨時(shí)提升至所有可能使用該資源的線程中最高優(yōu)先級(jí)線程的優(yōu)先級(jí)(即天花板)來避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的方法[5]。

2.2 操作系統(tǒng)層面解決方法

許多嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，例如μC/OS-Ⅱ、VxWorks、WinCE等針對(duì)這一問題都有自己的處理方式。μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)提供互斥信號(hào)量mutex來避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，其利用的是優(yōu)先級(jí)置頂協(xié)議[6]。VxWorks操作系統(tǒng)對(duì)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題采用優(yōu)先級(jí)繼承協(xié)議，整體上使用互斥信號(hào)量，按優(yōu)先級(jí)與先入先出隊(duì)列兩種方式排列等待對(duì)該互斥信號(hào)量進(jìn)行上鎖的線程，在創(chuàng)建互斥信號(hào)量時(shí)，選擇SEM_INVERSION_ SAFE與SEM_Q_PRIORITY兩種選擇值的域，即可避免優(yōu)先權(quán)反轉(zhuǎn)[7]。WinCE實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件采用優(yōu)先級(jí)繼承方式來避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)線程被低優(yōu)先級(jí)線程阻塞時(shí)，會(huì)提升低優(yōu)先級(jí)線程的優(yōu)先級(jí)至高優(yōu)先級(jí)線程的優(yōu)先級(jí)，從而避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象[8]。

3 mbedOS優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題機(jī)制流程分析

本文將使用一個(gè)測試工程來對(duì)mbedOS避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題機(jī)制進(jìn)行流程分析。首先對(duì)部分關(guān)鍵代碼進(jìn)行分析，然后給出調(diào)度時(shí)序，最后對(duì)執(zhí)行流程進(jìn)行分段解析。測試工程的功能是：創(chuàng)建三個(gè)用戶線程Ta、Tb、Tc，初始優(yōu)先級(jí)分別設(shè)置為26、25、24(在mbedOS中數(shù)字越大優(yōu)先級(jí)越高，將此處三個(gè)線程的優(yōu)先級(jí)分別命名為Pa、Pb、Pc)，啟動(dòng)運(yùn)行順序?yàn)門c、Ta、Tb，其中Tc和Ta使用同一互斥量來申請(qǐng)對(duì)共享資源S的獨(dú)占使用，Tb并不使用共享資源S。測試工程通過串口輸出三個(gè)線程調(diào)度時(shí)使用互斥量避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的詳細(xì)過程。為了確保整體執(zhí)行流程能夠循環(huán)執(zhí)行，過程中使用到了延時(shí)函數(shù)(會(huì)將線程放入延時(shí)隊(duì)列)，此處模擬線程到達(dá)的先后順序?yàn)椋航?jīng)過1秒后Tc到達(dá)，再經(jīng)過4秒后Ta、Tb到達(dá)(注意此處到達(dá)順序?yàn)橄萒a后Tb)。測試工程的執(zhí)行流程如圖1所示。

圖1 測試工程執(zhí)行流程

3.1 關(guān)鍵代碼分析

3.1.1互斥量控制塊

在mbedOS中使用互斥量控制塊的方式來描述互斥量，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct osRtxMutex_s

{

uint8_t id;

//互斥量ID

uint8_t state;

//互斥量狀態(tài)

uint8_t flags;

//互斥量標(biāo)志

uint8_t attr;

//互斥量屬性

const char *name;

//互斥量名稱

osRtxThread_t *thread_list;

//互斥量阻塞隊(duì)列

osRtxThread_t *owner_thread;

//互斥量私有線程

struct osRtxMutex_s *owner_prev;

//指向前一個(gè)互斥量

struct osRtxMutex_s *owner_next;

//指向下一個(gè)互斥量

uint8_t lock;

//互斥鎖

uint8_t padding[3];

//保留

} osRtxMutex_t;

其中互斥量屬性attr包括嵌套型互斥量(osMutexRecursive)、內(nèi)部優(yōu)先級(jí)互斥量(osMutexPrioInherit)和健壯互斥量(osMutexRobust)。當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的線程等待已被低優(yōu)先級(jí)的線程鎖定互斥量時(shí)，若該互斥量擁有內(nèi)部優(yōu)先級(jí)屬性，則低優(yōu)先級(jí)的線程會(huì)以高優(yōu)先級(jí)線程的優(yōu)先級(jí)運(yùn)行，這種方式是以繼承的形式進(jìn)行傳遞的。當(dāng)線程解鎖互斥量時(shí)，線程的優(yōu)先級(jí)自動(dòng)變?yōu)樗瓉淼膬?yōu)先級(jí)。mbedOS正是利用了這一關(guān)鍵屬性來避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題。

3.1.2互斥量鎖定函數(shù)

在mbedOS中，線程可通過使用互斥量對(duì)象調(diào)用lock函數(shù)的方式申請(qǐng)鎖定互斥量。lock函數(shù)內(nèi)部調(diào)用順序?yàn)閘ock→osMutexAcquire→_ _svcMutexAcquire→觸發(fā)SVC中斷服務(wù)程序SVC_Handler→實(shí)際互斥量鎖定函數(shù)svcRtxMutexAcquire。

其中涉及到優(yōu)先級(jí)部分的關(guān)鍵代碼如下：

if ((mutex->attr & osMutexPrioInherit) !=0U) {

if (mutex->owner_thread->prioritypriority) {

mutex->owner_thread->priority=thread->priority;

osRtxThreadListSort(mutex->owner_thread);

}

}

代碼段分析：if((mutex->attr & osMutexPrioInherit)!=0U)語句表示判斷該互斥量對(duì)象是否具有內(nèi)部優(yōu)先級(jí)屬性，若包含則進(jìn)一步判斷該互斥量私有線程的優(yōu)先級(jí)mutex->owner_thread->priority是否小于當(dāng)前運(yùn)行線程的優(yōu)先級(jí)thread->priority，若小于則將當(dāng)前運(yùn)行線程的優(yōu)先級(jí)賦值給該互斥量私有線程的優(yōu)先級(jí)，即所謂的優(yōu)先級(jí)繼承。

3.1.3互斥量解鎖函數(shù)

在mbedOS中，線程可通過使用互斥量對(duì)象調(diào)用unlock函數(shù)的方式申請(qǐng)解鎖互斥量。unlock函數(shù)內(nèi)部調(diào)用順序?yàn)閡nlock→osMutexRelease→_ _svcMutexRelease→觸發(fā)SVC中斷服務(wù)程序SVC_Handler→實(shí)際互斥量解鎖函數(shù)svcRtxMutexRelease。

其中涉及到優(yōu)先級(jí)部分的關(guān)鍵代碼如下：

if ((mutex->attr & osMutexPrioInherit)!=0U) {

priority=thread->priority_base;

mutex0=thread->mutex_list;

while (mutex0 != NULL) {

if ((mutex0->thread_list!=NULL) && (mutex0->thread_list->priority>priority)) {

priority=mutex0->thread_list->priority;

}

mutex0=mutex0->owner_next;

}

thread->priority=priority;

}

代碼段分析：if((mutex->attr & osMutexPrioInherit)!=0U)語句表示判斷該互斥量是否具有內(nèi)部優(yōu)先級(jí)屬性，priority和mutex0均表示臨時(shí)局部變量，thread表示當(dāng)前運(yùn)行線程。若該互斥量包含內(nèi)部優(yōu)先級(jí)屬性，則首先獲取當(dāng)前運(yùn)行線程初始化時(shí)的優(yōu)先級(jí)thread->priority_base賦值給priority以及當(dāng)前運(yùn)行線程所擁有的互斥量列表指針thread->mutex_list賦值給mutex0。然后使用while循環(huán)找到mutex0所在的互斥量列表中的所有互斥量所擁有的所有線程，獲取優(yōu)先級(jí)最高的線程的優(yōu)先級(jí)并賦值給priority。最后將當(dāng)前運(yùn)行線程的優(yōu)先級(jí)變?yōu)閜riority。

特別要指出的是，上述while循環(huán)語句是為了避免當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級(jí)線程與多個(gè)高優(yōu)先級(jí)線程嵌套使用多個(gè)互斥量時(shí)可能造成的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。由于只有當(dāng)系統(tǒng)中存在三個(gè)或三個(gè)以上線程時(shí)才可能發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，故此處以四個(gè)線程為例。假設(shè)有兩個(gè)高優(yōu)先級(jí)線程Ta和Tb、一個(gè)中優(yōu)先級(jí)線程Tc以及一個(gè)低優(yōu)先級(jí)線程Td，優(yōu)先級(jí)分別為Pa、Pb、Pc、Pd，其中Pa>Pb>Pc>Pd，Ta和Td使用同一互斥量mutex1共享資源S1， Tb和Td使用同一互斥量mutex2共享資源S2，且Td首先申請(qǐng)鎖定互斥量mutex2，再在釋放mutex2之前申請(qǐng)鎖定互斥量mutex1(連續(xù)鎖定多個(gè)互斥量遵循后進(jìn)先出原則，即后鎖定的互斥量先釋放)。設(shè)t0時(shí)刻，Td首先到達(dá)并鎖定了互斥量mutex2和互斥量mutex1。t1時(shí)刻Ta和Tb到達(dá)，等待Td解鎖各自需要的互斥量。Tc也在t1時(shí)刻到達(dá)，由于Ta和Tb調(diào)用互斥量鎖定函數(shù)svcRtxMutexAcquire時(shí)已將Td的優(yōu)先級(jí)提升至最高值Pa，故Tc會(huì)進(jìn)入等待狀態(tài)，等待Td運(yùn)行。t2時(shí)刻，Td解鎖互斥量mutex1，若此時(shí)未使用上述while循環(huán)語句，Td會(huì)直接降為其初始優(yōu)先級(jí)Pd，此時(shí)Ta會(huì)搶占Td獲得CPU使用權(quán)，鎖定互斥量mutex1并執(zhí)行。t3時(shí)刻，Ta運(yùn)行完畢，此時(shí)處于等待狀態(tài)的Td由于優(yōu)先級(jí)低于Tc，會(huì)被Tc搶占CPU使用權(quán)，使得Td無法解鎖互斥量mutex2，從而導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)低于Tb的線程Tc卻先于Tb運(yùn)行，造成優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，具體過程如表2所示。

表2 四線程優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)過程

續(xù)表2

若只涉及到一個(gè)低優(yōu)先級(jí)線程和一個(gè)高優(yōu)先級(jí)線程對(duì)于同一個(gè)互斥量的使用，則在低優(yōu)先級(jí)線程(即上述代碼中的thread)解鎖互斥量的過程中，由于thread擁有的互斥量列表已在執(zhí)行上述代碼之前釋放，故mutex0為空，while循環(huán)實(shí)際上并不執(zhí)行，而是直接通過語句：

priority=thread->priority_base;

thread->priority=priority;

將thread的優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠涑跏純?yōu)先級(jí)。

3.2 優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題測試工程執(zhí)行流程分析

本文的測試工程在STM32微控制器[13]上進(jìn)行。STM32片內(nèi)Flash存儲(chǔ)區(qū)大小為256 KB，一般用來存放中斷向量、程序代碼、常量等；片內(nèi)RAM存儲(chǔ)區(qū)大小為32 KB，一般用于存放初始化的全局變量、靜態(tài)變量、局部變量等。

3.2.1線程調(diào)度時(shí)序分析

測試工程涉及到的三個(gè)線程具體調(diào)度時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 線程調(diào)度時(shí)序圖

其中“?”表示線程或隊(duì)列的有效運(yùn)行時(shí)間，實(shí)線箭頭表示線程運(yùn)行、進(jìn)入隊(duì)列、申請(qǐng)互斥量或改變優(yōu)先級(jí)，虛線箭頭表示從隊(duì)列取線程(互斥量)或返回申請(qǐng)互斥量結(jié)果。

3.2.2執(zhí)行流程分段解析

目前，國內(nèi)外針對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題采用的分析方法，大多為一個(gè)基于示例圖的淺層實(shí)驗(yàn)[9-10]，均沒有完整地將處理機(jī)制分析清楚。針對(duì)上述問題，本文將采用基于時(shí)序圖并在代碼中相應(yīng)位置插入printf語句的方法進(jìn)行分析。插入printf語句的分析方式是應(yīng)用最廣泛的調(diào)試技術(shù)之一，可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺中來輸出中間結(jié)果[11]，亦可應(yīng)用于程序功能分析中得到故障產(chǎn)生的信息[12]。該方法具有簡單、清晰、直觀等優(yōu)點(diǎn)。

(1) 線程啟動(dòng)。從芯片上電到mbedOS 啟動(dòng)完成后，會(huì)最終轉(zhuǎn)到app_init函數(shù)執(zhí)行，然后可在app_init函數(shù)中創(chuàng)建用戶線程[3]。在該函數(shù)中創(chuàng)建并先后啟動(dòng)了三個(gè)用戶線程Tc、Ta、Tb，然后阻塞該函數(shù)的運(yùn)行。為確保線程能正常被創(chuàng)建，不被其他線程打斷，在創(chuàng)建用戶線程的過程中，使用了互斥量。

printf輸出結(jié)果如下：

0-1.當(dāng)前運(yùn)行的主線程(2000FF80)啟動(dòng)線程Tc.

4-1.互斥量(20001694)的互斥鎖=0,表示未鎖定，當(dāng)前運(yùn)行線程(2000FF80)可以申請(qǐng)?jiān)摶コ饬?/p>

4-2.互斥鎖變?yōu)?,表示互斥量申請(qǐng)成功

8.互斥鎖變?yōu)?，表示完全解鎖,將當(dāng)前互斥量(20001694)從當(dāng)前運(yùn)行線程(2000FF80)擁有的互斥量列表(2000FFAC)中移除

*9-1.當(dāng)前線程=2000FF80的初始優(yōu)先級(jí)=24，當(dāng)前優(yōu)先級(jí)=24

*9-2.釋放互斥量后，當(dāng)前線程=2000FF80的初始優(yōu)先級(jí)=24，當(dāng)前優(yōu)先級(jí)=24

0-2.當(dāng)前運(yùn)行的主線程(2000FF80)啟動(dòng)線程Ta.

4-1.互斥量(20001814)的互斥鎖=0,表示未鎖定，當(dāng)前運(yùn)行線程(2000FF80)可以申請(qǐng)?jiān)摶コ饬?/p>

4-2.互斥鎖變?yōu)?,表示互斥量申請(qǐng)成功

8.互斥鎖變?yōu)?，表示完全解鎖,將當(dāng)前互斥量(20001814)從當(dāng)前運(yùn)行線程(2000FF80)擁有的互斥量列表(2000FFAC)中移除

*9-1.當(dāng)前線程=2000FF80的初始優(yōu)先級(jí)=24，當(dāng)前優(yōu)先級(jí)=24

*9-2.釋放互斥量后，當(dāng)前線程=2000FF80的初始優(yōu)先級(jí)=24，當(dāng)前優(yōu)先級(jí)=24

0-3.當(dāng)前運(yùn)行的主線程(2000FF80)啟動(dòng)線程Tb.

4-1.互斥量(20001754)的互斥鎖=0,表示未鎖定，當(dāng)前運(yùn)行線程(2000FF80)可以申請(qǐng)?jiān)摶コ饬?/p>

4-2.互斥鎖變?yōu)?,表示互斥量申請(qǐng)成功

8.互斥鎖變?yōu)?，表示完全解鎖,將當(dāng)前互斥量(20001754)從當(dāng)前運(yùn)行線程(2000FF80)擁有的互斥量列表(2000FFAC)中移除

*9-1.當(dāng)前線程=2000FF80的初始優(yōu)先級(jí)=24，當(dāng)前優(yōu)先級(jí)=24

*9-2.釋放互斥量后，當(dāng)前線程=2000FF80的初始優(yōu)先級(jí)=24，當(dāng)前優(yōu)先級(jí)=24

******Tc、Ta和Tb啟動(dòng)完成,同時(shí)阻塞主線程******

(2) Tc申請(qǐng)鎖定互斥量。阻塞主線程后，由于初始時(shí)Tc延時(shí)1秒，而Ta和Tb延時(shí)5秒，故Tc會(huì)先從延時(shí)隊(duì)列中移出放入就緒隊(duì)列，搶占空閑線程獲得CPU使用權(quán)。由于互斥鎖為0，Tc申請(qǐng)鎖定互斥量成功，互斥鎖變?yōu)?，同時(shí)點(diǎn)亮藍(lán)燈。

printf輸出結(jié)果如下：

5.當(dāng)前就緒隊(duì)列中最高優(yōu)先級(jí)線程(20001834)取代當(dāng)前運(yùn)行線程(200016B4)，開始運(yùn)行

1.Tc(200016B4)獲得CPU使用權(quán)，藍(lán)燈亮

1-1.Tc申請(qǐng)鎖定互斥量

4-1.互斥量(20001880)的互斥鎖=0,表示未鎖定，當(dāng)前運(yùn)行線程(200016B4)可以申請(qǐng)?jiān)摶コ饬?/p>

4-2.互斥鎖變?yōu)?,表示互斥量申請(qǐng)成功

1-2.Tc鎖定互斥量成功,將鎖定15秒

(3) Ta申請(qǐng)鎖定互斥量。在Tc鎖定互斥量4秒后，Ta和Tb從延時(shí)隊(duì)列中移出，放入到就緒隊(duì)列，由于Pa大于Pb，故mbedOS會(huì)從就緒隊(duì)列中取出Ta激活運(yùn)行。又因?yàn)镻a大于Pc，故Ta會(huì)搶占Tc獲得CPU使用權(quán)，Tc被放入就緒隊(duì)列，同時(shí)熄滅藍(lán)燈。

但當(dāng)Ta運(yùn)行至申請(qǐng)鎖定互斥量時(shí)，由于此時(shí)互斥量已被Tc鎖定(互斥鎖為1)，Ta申請(qǐng)互斥量失敗，因此會(huì)將Tc的優(yōu)先級(jí)提升至與Ta的優(yōu)先級(jí)相同(即使用優(yōu)先級(jí)繼承方法將Tc的優(yōu)先級(jí)提升至Pa)，然后將Tc放入就緒隊(duì)列重新排序，Ta自身進(jìn)入等待隊(duì)列和互斥量阻塞隊(duì)列，將CPU使用權(quán)讓給Tc，等待Tc解鎖互斥量。

printf輸出結(jié)果如下：

5.當(dāng)前就緒隊(duì)列中最高優(yōu)先級(jí)線程(20001834)取代當(dāng)前運(yùn)行線程(200016B4)，開始運(yùn)行

2.Ta(20001834)搶占Tc獲得CPU使用權(quán),藍(lán)燈暗

2-1.Ta申請(qǐng)鎖定互斥量

6.互斥鎖=1,表示已鎖定(其所有者線程=200016B4),互斥量申請(qǐng)失敗

*7-1.優(yōu)先級(jí)繼承前，當(dāng)前互斥量私有線程=200016B4的優(yōu)先級(jí)=24低于當(dāng)前運(yùn)行線程=20001834的優(yōu)先級(jí)=26

*7-2.優(yōu)先級(jí)繼承后，當(dāng)前互斥量私有線程=200016B4的優(yōu)先級(jí)被提升至與當(dāng)前運(yùn)行線程=20001834的優(yōu)先級(jí)=26相同

*7-3.將當(dāng)前互斥量私有線程=200016B4從互斥量私有線程列表中移出，并放到就緒隊(duì)列(200001D0)中重新排序

6-1.將當(dāng)前運(yùn)行線程(20001834)放到等待隊(duì)列(200001E4)

6-2.從就緒隊(duì)列(200001D0)獲取優(yōu)先級(jí)最高的線程(200016B4),并設(shè)置為激活態(tài)準(zhǔn)備運(yùn)行

6-3.將當(dāng)前運(yùn)行線程(20001834)放入互斥量阻塞隊(duì)列(20001888):20001834->0->80019A9

(4) Tc解鎖互斥量。Tc重新獲得CPU使用權(quán)后，繼續(xù)運(yùn)行。由于互斥量是由Tc鎖定的，因此Tc能成功解鎖互斥量。在解鎖過程中，由于當(dāng)前運(yùn)行線程Tc將互斥量從它的互斥量列表中移出，故此時(shí)mutex0為空，因此在互斥量解鎖函數(shù)svcRtxReleaseMutex中會(huì)直接將Tc的優(yōu)先級(jí)降為其初始優(yōu)先級(jí)Pc。解鎖后互斥鎖為0，同時(shí)點(diǎn)亮藍(lán)燈，Tc放入就緒隊(duì)列，又開始等待執(zhí)行新一輪的執(zhí)行過程。此時(shí)互斥量會(huì)從互斥量列表移出，并移轉(zhuǎn)給正在等待互斥量的Ta，之后Ta放入就緒隊(duì)列，由于Pa>Pb>Pc，故在就緒隊(duì)列中Ta處于隊(duì)首位置。mbedOS從就緒隊(duì)列中取出優(yōu)先級(jí)最高的Ta激活運(yùn)行，Ta成功鎖定互斥量，互斥鎖變?yōu)?。

printf輸出結(jié)果如下：

1-3.Tc解鎖互斥量成功，藍(lán)燈亮

8.互斥鎖變?yōu)?，表示完全解鎖,將當(dāng)前互斥量(20001880)從當(dāng)前運(yùn)行線程(200016B4)擁有的互斥量列表(200016E0)中移除

*9-1.當(dāng)前線程=200016B4的初始優(yōu)先級(jí)=24，當(dāng)前優(yōu)先級(jí)=26

*9-2.釋放互斥量后，當(dāng)前線程=200016B4的初始優(yōu)先級(jí)=24，當(dāng)前優(yōu)先級(jí)=24

10-1.從互斥量阻塞隊(duì)列(20001888)中獲取優(yōu)先級(jí)最高的互斥量等待線程=20001834

10-2.將線程(20001834)從等待隊(duì)列(200001E4)中移出

10-3.將線程(20001834)放到就緒隊(duì)列(200001D0)

11.此時(shí)就緒隊(duì)列=200001D0中的線程:20001834->20001774->20001328

10-4.將剛獲取的線程(20001834)設(shè)置為互斥量所有者,互斥鎖變?yōu)?

(5) Ta解鎖互斥量。Ta運(yùn)行5秒后，由于互斥量是由Ta鎖定的，因此Ta能成功解鎖互斥量，解鎖后互斥鎖為0，同時(shí)熄滅藍(lán)燈。互斥量從互斥量列表移出，同時(shí)為了重復(fù)上述演示過程，Ta放入延時(shí)隊(duì)列5秒，5秒之后從延時(shí)隊(duì)列移出放入就緒隊(duì)列，又開始等待執(zhí)行新一輪的執(zhí)行過程。

printf輸出結(jié)果如下：

5.當(dāng)前就緒隊(duì)列中最高優(yōu)先級(jí)線程(20001834)取代當(dāng)前運(yùn)行線程(200016B4)，開始運(yùn)行

2-2.Ta鎖定互斥量成功，將鎖定5秒

2-3.Ta解鎖互斥量成功,藍(lán)燈暗

8.互斥鎖變?yōu)?，表示完全解鎖,將當(dāng)前互斥量(20001880)從當(dāng)前運(yùn)行線程(20001834)擁有的互斥量列表(20001860)中移除

*9-1.當(dāng)前線程=20001834的初始優(yōu)先級(jí)=26，當(dāng)前優(yōu)先級(jí)=26

*9-2.釋放互斥量后，當(dāng)前線程=20001834的初始優(yōu)先級(jí)=26，當(dāng)前優(yōu)先級(jí)=26

(6) Tb運(yùn)行。在Ta進(jìn)入延時(shí)隊(duì)列后，mbedOS從就緒隊(duì)列中取出優(yōu)先級(jí)最高的Tb激活運(yùn)行。Tb運(yùn)行5秒后釋放CPU使用權(quán)，為了重復(fù)上述演示過程，Tb放入延時(shí)隊(duì)列4秒，之后從延時(shí)隊(duì)中移出放入就緒隊(duì)列，又開始等待執(zhí)行新一輪的執(zhí)行過程。printf輸出結(jié)果如下：

3.Tb(20001774)獲得CPU使用權(quán)，將運(yùn)行5秒，成功避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)

5.當(dāng)前就緒隊(duì)列中最高優(yōu)先級(jí)線程(20001834)取代當(dāng)前運(yùn)行線程(20001774)，開始運(yùn)行

3-1.taskB釋放CPU使用權(quán)

其中地址2000FF80表示主線程，地址200016B4表示Tc，地址20001834表示Ta，地址20001774表示Tb，地址80019A9表示缺省處理函數(shù)DefaultISR，地址20001328表示空閑線程(系統(tǒng)中無運(yùn)行線程時(shí)該線程被調(diào)度運(yùn)行)。

4 mbedOS優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題機(jī)制歸納

通過上述流程分析，mbedOS中避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題機(jī)制可歸納如下：

mbedOS整體上使用的是基于互斥量的優(yōu)先級(jí)繼承方法來避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，其中優(yōu)先級(jí)繼承方法包括優(yōu)先級(jí)提升與優(yōu)先級(jí)恢復(fù)兩部分。當(dāng)線程調(diào)用svcRtxMutexAcquire函數(shù)申請(qǐng)鎖定互斥量時(shí)，系統(tǒng)首先判斷該互斥量是否已鎖定，若已鎖定，則進(jìn)一步判斷該互斥量是否具有內(nèi)部優(yōu)先級(jí)屬性osMutexPrioInherit，若是，則通過語句mutex->owner_thread->priority=thread->priority將當(dāng)前運(yùn)行線程(thread)的優(yōu)先級(jí)賦給該互斥量的私有線程(mutex->owner_thread)，即優(yōu)先級(jí)繼承方法中的優(yōu)先級(jí)提升；當(dāng)線程調(diào)用svcRtxMutexRelease函數(shù)申請(qǐng)鎖定互斥量時(shí)，系統(tǒng)首先判斷該互斥量是否具有內(nèi)部優(yōu)先級(jí)屬性osMutexPrioInherit，若是，則獲取當(dāng)前運(yùn)行線程的互斥量列表，若除了該互斥量以外，還具有其他互斥量，則遍歷其他互斥量的私有線程列表，獲取其中最高優(yōu)先級(jí)線程的優(yōu)先級(jí)，并將其賦給當(dāng)前運(yùn)行線程，否則直接將當(dāng)前運(yùn)行線程優(yōu)先級(jí)變?yōu)槠涑跏純?yōu)先級(jí)，即優(yōu)先級(jí)繼承方法中的優(yōu)先級(jí)恢復(fù)。

5 結(jié) 語

優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題是每一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)所必須要考慮到的問題，一旦出現(xiàn)，就會(huì)破壞系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，輕則造成系統(tǒng)邏輯紊亂，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)崩潰。本文首先通過歷史上出現(xiàn)過的問題引出優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，并分析其現(xiàn)象、避免的意義以及基本解決方案，然后利用Cortex-M4內(nèi)核的STM32微控制器，基于Kinetis Design Studio 3.1.0 IDE開發(fā)環(huán)境和SD-mbedOS工程框架，構(gòu)建一個(gè)測試工程對(duì)mbedOS避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題的機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)剖析。通過剖析，有助于快速理解mbedOS中互斥量的使用以及避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題的詳細(xì)過程，可為 mbedOS的應(yīng)用研究和在不同微控制器上的移植提供基礎(chǔ)，也可為不同實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題機(jī)制的比較分析提供參考。