SylixOS下優(yōu)先級反轉與解決方案

1. 概念

    一個高優(yōu)先級線程通過信號量機制訪問共享資源時，該信號量已被一個低優(yōu)先級線程占有，而這個低優(yōu)先級線程在訪問共享資源時被其他的一些中等優(yōu)先級線程搶占，因此造成高優(yōu)先級線程被許多具有較低優(yōu)先級的線程阻塞，稱此現(xiàn)象為優(yōu)先級反轉。
    優(yōu)先級反轉會導致低優(yōu)先級任務先于高優(yōu)先級任務運行，在實時系統(tǒng)中會導致不可控的現(xiàn)象發(fā)生，因此，優(yōu)先級反轉在實時系統(tǒng)中是不可接受的。

2. 解決優(yōu)先級反轉

    高優(yōu)先級任務不能執(zhí)行的原因是因為低優(yōu)先級占用了資源，而低優(yōu)先級不能獲得CPU，無法釋放資源，所以解決優(yōu)先級反轉的原則是讓低優(yōu)先級任務盡快執(zhí)行，釋放資源。
SylixOS下解決優(yōu)先級反轉有優(yōu)先級天花板策略（priority ceiling）和優(yōu)先級繼承策略（priority inheritance），且SylixOS下互斥信號量同時支持這兩種策略。

2.1 優(yōu)先級天花板

    優(yōu)先級天花板策略是指將占有某資源的任務的優(yōu)先級提高，提升到可能訪問該資源的所有任務中最高優(yōu)先級任務的優(yōu)先級（這個優(yōu)先級稱為該資源的優(yōu)先級天花板）。

2.2 優(yōu)先級繼承

    當發(fā)現(xiàn)高優(yōu)先級的任務因為低優(yōu)先級任務占用資源而阻塞時，就將低優(yōu)先級任務的優(yōu)先級提升到等待它所占有的資源的最高優(yōu)先級任務的優(yōu)先級。

3. 互斥量解決優(yōu)級反轉

3.1 互斥量屬性塊

    互斥量在創(chuàng)建時，需先創(chuàng)建互斥量屬性塊，SylixOS下互斥量屬性塊結構如程序清單 3.1所示。

程序清單 3.1 互斥量屬性塊結構

typedef struct {
    int          	PMUTEXATTR_iIsEnable;     	/*  此屬性塊是否有效           */
    int             	PMUTEXATTR_iType;       	/*  互斥量類型                 */
    int             	PMUTEXATTR_iPrioceiling;	/*  天花板優(yōu)先級               */
    unsigned long	PMUTEXATTR_ulOption;       	/*  算法類型                   */
} pthread_mutexattr_t;

    初始化互斥量時，如果不為互斥量屬性塊進行初始化，則使用默認屬性，SylixOS互斥量默認屬性塊如程序清單 3.2所示。

程序清單 3.2 默認互斥量屬性塊

static const pthread_mutexattr_t  _G_pmutexattrDefault = {
    1,
    PTHREAD_MUTEX_DEFAULT,                       	/*  允許遞歸調用               */
    PTHREAD_MUTEX_CEILING,
    (LW_OPTION_INHERIT_PRIORITY | 
    LW_OPTION_WAIT_PRIORITY) 				/*PTHREAD_PRIO_NONE	       */
};

    由默認互斥量默認屬性塊可知，SylixOS下默認解決優(yōu)先級反轉方案是優(yōu)先級繼承策略。

3.2 提高優(yōu)先級

    低優(yōu)先級的任務占有資源，且高任務的優(yōu)先級請求資源時，會嘗試提高低優(yōu)先級任務的優(yōu)先級，在申請資源時調用_EventPrioTryBoost函數嘗試提高任務優(yōu)先級。

#include <SylixOS.h>
VOID  _EventPrioTryBoost (PLW_CLASS_EVENT  pevent, PLW_CLASS_TCB  ptcbCur)

    函數_EventPrioTryBoost原型分析：

• 參數pevent為資源所屬的事件控制塊；

• 參數ptcbCur為當前任務控制塊。

    該函數根據互斥量屬性塊的屬性設置，確定選用優(yōu)先級繼承策略或者天花板策略（SylixOS下默認是使用優(yōu)先級繼承策略），調用_SchedSetPrio函數改變任務的優(yōu)先級。

3.3 恢復優(yōu)先級

    低優(yōu)先級任務釋放互斥量時，調用EventPrioTryResume嘗試恢復任務的優(yōu)先級。

#include <SylixOS.h>
VOID  _EventPrioTryResume (PLW_CLASS_EVENT  pevent, PLW_CLASS_TCB   ptcbCur)

    函數_EventPrioTryResume原型分析：

• 參數pevent為資源所屬的事件控制塊；

• 參數ptcbCur為當前任務控制塊。

    低優(yōu)先級任務刪除互斥量時，會嘗試恢復任務優(yōu)先級，代碼片段如程序清單 3.3所示。

程序清單 3.3 嘗試恢復優(yōu)先級

if (ptcb) {
        ucPriority = (UINT8)pevent->EVENT_ulMaxCounter;	       /*  獲得原線程優(yōu)先級           */
	/*
	 *  擁有者優(yōu)先級發(fā)生了變化,還原優(yōu)先級
	 */
        if (!LW_PRIO_IS_EQU(ucPriority, ptcb->TCB_ucPriority)) {
        _SchedSetPrio(ptcb, ucPriority);
    }
}

4. 優(yōu)先級設置函數

    在使用互斥量時，嘗試提高或恢復任務優(yōu)先級，調用SchedSetPrio函數進行優(yōu)先級設置。

#include <SylixOS.h>
VOID  _SchedSetPrio (PLW_CLASS_TCB  ptcb, UINT8  ucPriority)

    函數_SchedSetPrio原型分析：

• 參數ptcb為當前任務控制塊；

• 參數ucPriority為需設置的優(yōu)先級。

    _SchedSetPrio函數改變任務的優(yōu)先級，實現(xiàn)流程如圖 4.1所示。

圖 4.1 優(yōu)先級設置流程