具有固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度程序RTOS的優(yōu)先級(jí)倒置

具有固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度程序的 RTOS 的核心思想是高優(yōu)先級(jí)任務(wù)應(yīng)該在低優(yōu)先級(jí)任務(wù)之前調(diào)度。如有必要，RTOS 甚至可以搶占正在運(yùn)行的任務(wù)，迫使它讓 CPU 執(zhí)行更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。然而，作為開發(fā)人員，您必須注意可能導(dǎo)致較高優(yōu)先級(jí)任務(wù)必須等待較低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的編程缺陷——這種情況稱為優(yōu)先級(jí)倒置。

優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)可以與互斥體、消息隊(duì)列或其他類型的同步對(duì)象一起發(fā)生。描述問題的最佳方式可能是通過一個(gè)示例來逐步說明。

在下面的時(shí)間線圖中，使用 Tracealyzer 捕獲，我們有一個(gè)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)（綠色）正在執(zhí)行。它需要一個(gè)二進(jìn)制信號(hào)量來保護(hù)某些臨界區(qū)并繼續(xù)在臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行代碼。當(dāng)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)（紅色）進(jìn)入就緒狀態(tài)時(shí)，RTOS 搶占綠色任務(wù)并讓紅色運(yùn)行。紅色任務(wù)嘗試獲取相同的二進(jìn)制信號(hào)量，但由于低優(yōu)先級(jí)綠色任務(wù)持有它而被阻止。

到目前為止，一切都很好——這是預(yù)期的行為。一般來說，綠色任務(wù)現(xiàn)在會(huì)運(yùn)行并快速釋放信號(hào)量，此時(shí)它再次被搶占，紅色任務(wù)可以獲取信號(hào)量并繼續(xù)。然而，這一次發(fā)生了反轉(zhuǎn)。出于某種原因，可能是定時(shí)等待已過期，中等優(yōu)先級(jí)（橙色）任務(wù)已進(jìn)入就緒狀態(tài)并被允許在綠色任務(wù)之前執(zhí)行。由于橙色任務(wù)不知道有爭(zhēng)議的信號(hào)量，它很高興地運(yùn)行完成。只有這樣，綠色任務(wù)才會(huì)最終運(yùn)行，以便它可以釋放信號(hào)量并將執(zhí)行權(quán)交給紅色的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。

因此，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被阻塞，必須等待不確定的時(shí)間，而中等優(yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行完成。這就是工作中的優(yōu)先級(jí)倒置。

重要的是要意識(shí)到這里涉及的三項(xiàng)任務(wù)基本上是無能為力的。他們沒有人可以做任何事情來避免倒置，至少在沒有 RTOS 的支持的情況下是這樣。幸運(yùn)的是，這種支持在許多 RTOS 中以具有優(yōu)先級(jí)繼承的互斥鎖的形式提供?；コ饬浚ɑコ獾目s寫）是一種用于保護(hù)共享資源的信號(hào)量。優(yōu)先級(jí)繼承意味著如果一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在試圖獲得一個(gè)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)當(dāng)前持有的互斥鎖時(shí)阻塞，那么持有該互斥鎖的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)會(huì)暫時(shí)提高到被阻塞任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。在我們的場(chǎng)景中，當(dāng)紅色任務(wù)被阻塞時(shí)，綠色任務(wù)將被提升為紅色優(yōu)先級(jí)，從而有效地阻止了橙色任務(wù)的運(yùn)行。

優(yōu)先級(jí)繼承并不能真正治愈優(yōu)先級(jí)倒置，它只是在某些情況下將其影響最小化。硬實(shí)時(shí)應(yīng)用程序仍應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)，以便一開始就不會(huì)發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。

通常，盡可能避免阻塞共享資源。例如，如果您的任務(wù)將數(shù)據(jù)寫入消息隊(duì)列（可能已滿），您可以改為使用足夠大但未滿的隊(duì)列，作為額外的預(yù)防措施，以非阻塞方式寫入并檢查任何失敗寫入的返回值。而不是使用分散在代碼中的多個(gè)關(guān)鍵部分（共享互斥鎖），您可以創(chuàng)建一個(gè)“服務(wù)器”任務(wù)，該任務(wù)執(zhí)行對(duì)資源的所有直接操作，并使用消息隊(duì)列從“客戶端”任務(wù)中獲取請(qǐng)求，在非-阻塞方式。服務(wù)器可以通過請(qǐng)求中指定的其他消息隊(duì)列發(fā)送任何回復(fù)，這些消息隊(duì)列由客戶端任務(wù)擁有。

審核編輯：郭婷