同步与互斥（二）

news2024/11/24 15:07:43

一、谁上锁就由谁解锁？

        互斥量、互斥锁，本来的概念确实是：谁上锁就得由谁解锁。
        但是FreeRTOS并没有实现这点，只是要求程序员按照这样的惯例写代码。
        main函数创建了2个任务：
        任务1：高优先级，一开始就获得互斥锁，永远不释放。
        任务2：任务1阻塞时它开始执行，它先尝试获得互斥量，失败的话就监守自盗(释放互斥量、开锁)，然后再上锁

代码如下：

int main( void )
{
    prvSetupHardware();
    /* 创建互斥量 */
    xMutex = xSemaphoreCreateMutex( );
    if( xMutex != NULL )
    {
        /* 创建2个任务: 一个上锁, 另一个自己监守自盗(开别人的锁自己用)
        */
        xTaskCreate( vTakeTask, "Task1", 1000, NULL, 2, NULL );
        xTaskCreate( vGiveAndTakeTask, "Task2", 1000, NULL, 1, NULL );
        /* 启动调度器 */
        vTaskStartScheduler();
    }
    else
    {
        /* 无法创建互斥量 */
    }
    /* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
    return 0;
}

两个任务的代码和执行流程如下图所示：
A：任务1的优先级高，先运行，立刻上锁
B：任务1阻塞
C：任务2开始执行，尝试获得互斥量(上锁)，超时时间设为0。根据返回值打印出：上锁失败

因为A流程那里没有解锁，所以会上锁失败，而且超时时间设置为0，不会等待，获取失败就直接返回BaseType_t，成功就返回的是pdTURE。
D：任务2监守自盗，开锁，成功！
E：任务2成功获得互斥量
F：任务2阻塞
        可见，任务1上的锁，被任务2解开了。所以，FreeRTOS并没有实现"谁上锁就得由谁开锁"的功能。

二、优先级反转

假设任务A、B都想使用串口，A优先级比较低：
        任务A获得了串口的互斥量
        任务B也想使用串口，它将会阻塞、等待A释放互斥量
高优先级的任务，被低优先级的任务延迟，这被称为"优先级反转"(priority inversion)
如果涉及3个任务，可以让"优先级反转"的后果更加恶劣。
        互斥量可以通过"优先级继承"，可以很大程度解决"优先级反转"的问题，这也是FreeRTOS中互斥量和二级制信号量的差别。
        程序使用二级制信号量来演示"优先级反转"的恶劣后果。
        main函数创建了3个任务：LPTask/MPTask/HPTask(低/中/高优先级任务)，代码如下：

/* 互斥量/二进制信号量句柄 */
SemaphoreHandle_t xLock;
int main( void )
{
    prvSetupHardware();
    /* 创建互斥量/二进制信号量 */
    xLock = xSemaphoreCreateBinary( );
    if( xLock != NULL )
    {
        /* 创建3个任务: LP,MP,HP(低/中/高优先级任务)
        */
        xTaskCreate( vLPTask, "LPTask", 1000, NULL, 1, NULL );
        xTaskCreate( vMPTask, "MPTask", 1000, NULL, 2, NULL );
        xTaskCreate( vHPTask, "HPTask", 1000, NULL, 3, NULL );
        /* 启动调度器 */
        vTaskStartScheduler();
    }
    else
    {
        /* 无法创建互斥量/二进制信号量 */
    }
    /* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
    return 0;
}

LPTask/MPTask/HPTask三个任务的代码和运行过程如下图所示：
A：HPTask优先级最高，它最先运行。在这里故意打印，这样才可以观察到flagHPTaskRun的脉
冲。
B：MPTask开始运行。在这里故意打印，这样才可以观察到flagMPTaskRun的脉冲。
C：LPTask开始运行，获得二进制信号量，然后故意打印很多字符
D：HP Delay时间到，HPTask恢复运行，它无法获得二进制信号量，一直阻塞等待

// #define portMAX_DELAY         ( TickType_t ) 0xffffffffUL

查看串口打印情况更加直观：


E：MP Delay时间到，MPTask恢复运行，它比LPTask优先级高，一直运行。导致LPTask无法运
行，自然无法释放二进制信号量，于是HPTask无法运行。
总结：
        LPTask先持有二进制信号量，但是MPTask抢占LPTask，使得LPTask一直无法运行也就无法释放信号量，导致HPTask任务无法运行，优先级最高的HPTask竟然一直无法运行！

static void vHPTask( void *pvParameters )
{
	const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 10UL );	

	flagLPTaskRun = 0;
	flagMPTaskRun = 0;
	flagHPTaskRun = 1;

	printf("HPTask start\r\n");
	
	/* 让LPTask先运行 */	
	vTaskDelay(xTicksToWait);
	
	/* 无限循环 */
	for( ;; )
	{	
		flagLPTaskRun = 0;
		flagMPTaskRun = 0;
		flagHPTaskRun = 1;
		printf("HPTask wait for Lock\r\n");
		
		/* 获得互斥量/二进制信号量 */
		xSemaphoreTake(xLock, portMAX_DELAY);
		
		flagLPTaskRun = 0;
		flagMPTaskRun = 0;
		flagHPTaskRun = 1;
		
		/* 释放互斥量/二进制信号量 */
		xSemaphoreGive(xLock);
	}
}

static void vMPTask( void *pvParameters )
{
	const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 30UL );	

	flagLPTaskRun = 0;
	flagMPTaskRun = 1;
	flagHPTaskRun = 0;

	printf("MPTask start\r\n");
	
	/* 让LPTask、HPTask先运行 */	
	vTaskDelay(xTicksToWait);
	
	/* 无限循环 */
	for( ;; )
	{	
		flagLPTaskRun = 0;
		flagMPTaskRun = 1;
		flagHPTaskRun = 0;
	}
}
static void vLPTask( void *pvParameters )
{
	const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 10UL );	
	uint32_t i;
	char c = 'A';

	printf("LPTask start\r\n");
	
	/* 无限循环 */
	for( ;; )
	{	
		flagLPTaskRun = 1;
		flagMPTaskRun = 0;
		flagHPTaskRun = 0;

		/* 获得互斥量/二进制信号量 */
		xSemaphoreTake(xLock, portMAX_DELAY);
		
		/* 耗时很久 */
		
		printf("LPTask take the Lock for long time");
		for (i = 0; i < 26; i++) 
		{
			flagLPTaskRun = 1;
			flagMPTaskRun = 0;
			flagHPTaskRun = 0;
			printf("%c", c + i);
		}
		printf("\r\n");
		
		/* 释放互斥量/二进制信号量 */
		xSemaphoreGive(xLock);
		
		vTaskDelay(xTicksToWait);
	}
}

优先级继承

/* 互斥量/二进制信号量句柄 */
SemaphoreHandle_t xLock;

int main( void )
{
	prvSetupHardware();
	
    /* 创建互斥量/二进制信号量 */
    //xLock = xSemaphoreCreateBinary( );
	xLock = xSemaphoreCreateMutex( );


	if( xLock != NULL )
	{
		/* 创建3个任务: LP,MP,HP(低/中/高优先级任务)
		 */
		xTaskCreate( vLPTask, "LPTask", 1000, NULL, 1, NULL );
		xTaskCreate( vMPTask, "MPTask", 1000, NULL, 2, NULL );
		xTaskCreate( vHPTask, "HPTask", 1000, NULL, 3, NULL );

		/* 启动调度器 */
		vTaskStartScheduler();
	}
	else
	{
		/* 无法创建互斥量/二进制信号量 */
	}

	/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
	return 0;
}

/*-----------------------------------------------------------*/

/*-----------------------------------------------------------*/
static void vLPTask( void *pvParameters )
{
	const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 10UL );	
	uint32_t i;
	char c = 'A';

	printf("LPTask start\r\n");
	
	/* 无限循环 */
	for( ;; )
	{	
		flagLPTaskRun = 1;
		flagMPTaskRun = 0;
		flagHPTaskRun = 0;

		/* 获得互斥量/二进制信号量 */
		xSemaphoreTake(xLock, portMAX_DELAY);
		
		/* 耗时很久 */
		
		printf("LPTask take the Lock for long time");
		for (i = 0; i < 26; i++) 
		{
			flagLPTaskRun = 1;
			flagMPTaskRun = 0;
			flagHPTaskRun = 0;
			printf("%c", c + i);
		}
		printf("\r\n");
		
		/* 释放互斥量/二进制信号量 */
		xSemaphoreGive(xLock);
		printf("task_low\r\n");
		vTaskDelay(xTicksToWait);
	}
}

static void vMPTask( void *pvParameters )
{
	const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 30UL );	

	flagLPTaskRun = 0;
	flagMPTaskRun = 1;
	flagHPTaskRun = 0;

	printf("MPTask start\r\n");
	
	/* 让LPTask、HPTask先运行 */	
	vTaskDelay(xTicksToWait);
	
	/* 无限循环 */
	for( ;; )
	{	
		flagLPTaskRun = 0;
		flagMPTaskRun = 1;
		flagHPTaskRun = 0;
	}
}

static void vHPTask( void *pvParameters )
{
	const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 10UL );	

	flagLPTaskRun = 0;
	flagMPTaskRun = 0;
	flagHPTaskRun = 1;

	printf("HPTask start\r\n");
	
	/* 让LPTask先运行 */	
	vTaskDelay(xTicksToWait);
	
	/* 无限循环 */
	for( ;; )
	{	
		flagLPTaskRun = 0;
		flagMPTaskRun = 0;
		flagHPTaskRun = 1;
		printf("HPTask wait for Lock\r\n");
		
		/* 获得互斥量/二进制信号量 */
		xSemaphoreTake(xLock, portMAX_DELAY);
		printf("task_high\r\n");
		flagLPTaskRun = 0;
		flagMPTaskRun = 0;
		flagHPTaskRun = 1;
		
		/* 释放互斥量/二进制信号量 */
		xSemaphoreGive(xLock);
		printf("task\r\n");
	}
}

 唯一的改变就是：

运行时序图如下图所示：
A：HPTask执行xSemaphoreTake(xLock, portMAX_DELAY); ，它的优先级被LPTask继承
B：LPTask抢占MPTask，运行
C：LPTask执行xSemaphoreGive(xLock); ，它的优先级恢复为原来值
D：HPTask得到互斥锁，开始运行
互斥锁的"优先级继承"，可以减小"优先级反转"的影响

 

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