lwIP更新记01：全局互斥锁替代消息机制

news2024/11/23 10:59:54

从 lwIP-2.0.0 开始，在 opt.h 中多了一个宏开关 LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING，默认使能。这个宏用于启用 内核锁定 功能，使用 全局互斥锁 实现。在之前，lwIP 使用 消息机制 解决 lwIP 内核线程安全问题。消息机制易于实现，因为实现简单，更容易做到高稳定性。但使用消息机制效率低下，所以 lwIP 从 V2.0.0 开始，正式支持（并默认使用）全局互斥锁，同时仍保留消息机制。全局互斥锁方案实现复杂，但效率非常高。
本文探索全局互斥锁方案是怎么诞生并发展的。

2007 年 5 月 24 日，Simon Goldschmid （以下简称 西蒙 ）提交了一个任务：task #6935（使用当前 socket/netconn API 需要解决的问题）。

西蒙提出，当前的 socket/netconn API 还存在某些设计问题需要改进，比如：

1.将消息机制改为互斥（锁定 netconns）

move from message passing to mutual exclusion (lock netconns)

这里需要解释一下 消息机制 是什么。

在使用操作系统的情况下，lwIP 内核作为操作系统的一个任务（ tchip_thread ）运行，内核线程 和 应用程序线程 间的通讯是通过消息机制来完成的。

在当时，距离发布 lwIP-1.3.0 版本还有 10 个月，在这个版本中，如果 应用程序线程 使用 sendto 函数发送 UDP 数据，这是一个复杂的过程。实际上应用程序线程无权发送数据，它会先构造一个称为 TCPIP_MSG_API 的消息，连带发送的数据信息，投递给 内核线程，由内核线程进行实际的数据发送：

请添加图片描述

从图中可以看出，一个普通的数据发送，需要两个线程协同、进行两次任务切换才能完成。多年以来，lwIP 对外声称都是”为了获得良好的性能，你应该使用 raw API“。这就是原因！因为线程间通讯低效造成的。

为什么要让内核线程完成实际的发送？直接在 应用程序线程 中发送不可以吗？

不可以！

这涉及到多年以来 lwIP 对外声称的另一个注意事项：“lwIP 不是线程安全的”！！！

从 lwip 诞生以来，直到最近发布的 lwIP-2.1.x，以及可以看到的将来，lwIP 都不是线程安全的。

所以 lwIP 采用了一个迂回的策略，用来满足多线程编程：使用 并发设计 中的 队列模式。

举一个很好理解的例子。

如果有两个任务使用同一个 串口 打印调试信息，任务 A 打印:

printf("Task A: ABCDEFG\n");

任务 B 打印：

printf("Task B: 1234567\n");

任务A正在打印的时候，可能被任务B打断，这时任务A的打印信息就会显得不完整，任务 A 打印的信息被任务 B 打印的信息分成两部分：

Task A: ABTask B: 1234567
CDEFG

出现这个问题的原因是有多个任务同时使用一个资源，那么让任务不去同时访问资源，更进一步，干脆让任务不访问资源不就解决了吗。队列模式 就是这个思路，即所有任务都不直接使用串口资源，而是将要打印的信息放到一个队列中，串口发送也独立出一个任务，该任务从队列中取出信息，打印信息。完美解决大家争资源的问题。

lwIP 处理 线程不安全 也是用的这个思路：创建一个邮箱队列，投递消息相当于入队，内核线程 从邮箱队列中取出消息，根据消息的指示做出相应的动作，所有 应用程序线程 都不访问 lwIP 内核，也就避免了线程不安全的问题。

除了一个问题外，效率低。

西蒙萌生出了改变这一现状的想法：

对于发送，我们可以锁定整个核心，而不是将消息传递给另一个线程。这样 TX 可以优先处理。锁定互斥锁的运行时间不应比消息传递长多少。
对于接收，同样可以锁定整个核心，这样 tchip_thread 只需要处理 RX 和 定时器 。

随着讨论的进行，大家觉得使用全局互斥锁是个可行的方案。

Frédéric Bernon （以下简称 佛雷德里克）根据这个思路修改了代码，并进行了测试。他的测试代码是用 sendto 函数发送 1458 字节的数据（UDP 连接），测试结果如下：

	Sequential API: lwip_sendto()	raw API: udp_sendto
使用消息机制	204 us	74 us
使用全局互斥量	67 us	74 us

可以看出，使用全局互斥量后：

lwip_sendto 函数用时减少了 3 倍
与 udp_sendto 函数执行时间相比，仅慢了 3us 。

可以说效果拔群。 佛雷德里克 是怎么做到的呢？原因在于他使用了全局互斥量让发送数据成了 原子操作 ，从而避免了线程间的切换，实现了在 应用程序线程 中调用 udp_sendto 函数直接完成数据的发送：

请添加图片描述

由于少了消息传递和任务切换的开销，速度自然也就快了起来。

这种使用互斥量保护共享资源的操作，使用了 并发设计 中的 守卫调用模式。如果多个线程以某种方式同时调用相互干扰的服务集合，可以使用守卫调用模式使得多个线程串行访问服务。最常见的实现方式是使用互斥量给共享资源加锁。

继续用上面的例子，有两个任务使用同一个 串口 打印调试信息，则可能出现打印乱套的问题。如果换一种方式，任务 A 在使用串口前，先把串口锁定，一旦锁定，除非任务 A 主动解锁，否则其它任务都不能使用串口。这样就能避免任务 A 正在使用串口打印信息时，被任务 B 打断的现象了。

2007 年 6 月 9 日， 佛雷德里克 将这个更改推送到了 lwIP 代码仓库，这是历史上第一次，宏 LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING 出现在 lwIP 的源码中，默认设置为 0 ，即不启用该新功能。

但此时的代码还是实验性质的，仅供 lwIP 开发者测试用，在这个宏开关的注释中，有着明显的提示：

/* EXPERIMENTAL, Don't use it if you're not an active lwIP project member */

实验性质，如果你不是 lwIP 项目的开发人员，请不要使用它

之后，使用互斥量 锁定内核 的操作方式不断完善：

2007 年 7 月底，API 消息（TCPIP_MSG_API）已经几乎完全可以使用锁定内核的方式替换掉，这包括连接、发送等操作
2010 年 2 月份，西蒙 第一次引入宏 LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING_INPUT，底层数据包输入消息（TCPIP_MSG_INPKT）也可以选择使用锁定内核的方式了。当然，这依旧是实验性质的。
2016 年 3 月 17，终于， LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING 和 LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING_INPUT 不再是实验性质的，它们正式向用户开放了！从第一次讨论“将消息机制改为互斥”，到最终推出这个功能，用了将近 10 年！
2016 年 7 月 1，宏 LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING 的默认值修改为 1 ，这意味着解决 “lwIP 不是线程安全的”的方案， lwIP 开发者更推荐使用互斥锁。
2016 年 11 月 10， lwIP-2.0.0 发布，在这个版本中，我们第一次可以放心使用互斥锁方案。