RTOS中臨界區(qū)的使用技巧

1裸機(jī)與RTOS的理解

首先這里只針對單核CPU架構(gòu)的芯片展開討論，大部分是MCU吧，而多核CPU的討論相對比較復(fù)雜，暫不涉及~

玩RTOS的朋友都知道，裸機(jī)與OS的最大區(qū)別就是實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并發(fā)，其實(shí)你說裸機(jī)就不能實(shí)現(xiàn)任務(wù)的并發(fā)嗎 ? 這個(gè)需要看所站的角度吧，只是說RTOS并發(fā)的粒度可以更加細(xì)，因?yàn)榘崖銠C(jī)的任務(wù)拆分成多塊運(yùn)行，其實(shí)也是一種并發(fā)方式。

從宏觀上雖然RTOS的每個(gè)任務(wù)都是在并發(fā)執(zhí)行，其實(shí)微觀上還是一條一條指令在順序執(zhí)行著，如下圖所示:


而對于目前主流的RTOS,如UCOS或者FreeRTOS,所實(shí)現(xiàn)的都是多任務(wù)，更多的是一種多線程的并發(fā)執(zhí)行而非多進(jìn)程，所以對應(yīng)到Linux平臺(tái)上稱他們?yōu)閠hread。

2并發(fā)帶來的問題

并發(fā)的好處就是能夠在更細(xì)的粒度來盡可能的提高CPU的利用率，這里不能說使用了多線程就一定能提高，這與你所設(shè)計(jì)的任務(wù)劃分和處理有著直接的關(guān)系，只能說
多線程相比裸機(jī)更有這個(gè)能力。

而任何事物都有其利弊，多個(gè)任務(wù)在沒有同步處理的情況下，任務(wù)之間是無序運(yùn)行的，無序也就意味著狀態(tài)的多樣性和復(fù)雜度。

當(dāng)然bug菌這里所說的無序是一個(gè)相對的過程，比如對于CPU而言，它就是順序的去執(zhí)行一條一條的指令，所以在這個(gè)層面它是有序的、確定的。

而把過程放大，比如執(zhí)行一條C語言語句，一般它是由多條匯編指令組成，對于目前的搶占式內(nèi)核，在一段時(shí)間內(nèi)其多個(gè)任務(wù)就有可能指令交替執(zhí)行，當(dāng)這些指令都去操作同一塊內(nèi)存，那么內(nèi)存的最終結(jié)果由于順序不同而不同，最終難以確定。

狀態(tài)的不確定就有可能造成異常行為，也就是大家經(jīng)常遇到的:"怎么跑著跑著就有問題，還沒啥規(guī)律~"，"這段代碼怎么看也沒問題呀~"

所以對比看來RTOS確實(shí)會(huì)帶來編程上的難度~

3臨界區(qū)

既然有難度，我們就要解決，把不確定性部分通過一些手段來變得確定，而造成這些不確定因素的動(dòng)力是什么呢？是中斷~

bug菌一直覺得，其實(shí)對于裸機(jī)而言，如果把中斷服務(wù)函數(shù)看成一個(gè)更高優(yōu)先級的搶占式任務(wù)，其實(shí)裸機(jī)主任務(wù)與中斷任務(wù)就形成了一種兩任務(wù)的并發(fā)，所以中斷與任務(wù)之間也是有共享問題需要類似處理的。

為了解決這些不確定因素，我們只需要在這段代碼區(qū)域限制中斷的發(fā)生即可，這一段區(qū)域就是臨界區(qū)，說得直白點(diǎn) : 關(guān)中斷與開中斷。

1ENTER_CRITICAL();//進(jìn)入臨界區(qū)
2
3//臨界區(qū)代碼
4
5EXIT_CRITICAL();//退出臨界區(qū)

4臨界區(qū)嵌套

臨界區(qū)的使用沒啥可說的，但是在你的代碼中怎么加臨界區(qū)確實(shí)一門技巧，可是說很多3~5年的工程師也并不一定處理得好，本文暫不展開，后面bug菌整理以后再分享給大家，今天只聊聊臨界區(qū)嵌套使用的問題，畢竟很多朋友在這里掉過坑~

參考偽代碼：

1/*********************************************
2 * Function: Fuction1
3 * Description:功能函數(shù)
4 * Author: bug菌
5/
6void Fuction1(void)
7{
8 ENTER_CRITICAL();//進(jìn)入臨界區(qū)
9
10 //do something~
11
12 EXIT_CRITICAL();//退出臨界區(qū)
13}
14/*
15 * Function: Fuction2
16 * Description: 功能函數(shù)
17 * Author: bug菌
18 ********************************************/
19void Fuction2(void)
20{
21 ENTER_CRITICAL();//進(jìn)入臨界區(qū)
22
23 ......
24 Fuction1();
25
26 ......
27 //do something~
28
29 EXIT_CRITICAL();//退出臨界區(qū)
30}

這種臨界區(qū)的使用是很多朋友常犯的錯(cuò)誤，當(dāng)然這里的臨界區(qū)操作僅僅只是開關(guān)中斷，許多自己公司寫的，或者裁剪的都是這種簡約開關(guān)中斷版本，所以當(dāng)調(diào)用Function1函數(shù)以后，后面的代碼就不在臨界區(qū)內(nèi)了，此時(shí)就有可能會(huì)存在共享問題。

當(dāng)然目前的開源OS都會(huì)提供一種把相關(guān)嵌套標(biāo)記保存在局部變量中的處理方式，如下代碼所示:

1//來源于ucos源碼
2#define OS_ENTER_CRITICAL() (cpu_sr = OSCPUSaveSR())
3#define OS_EXIT_CRITICAL() (OSCPURestoreSR(cpu_sr))
4
5/*********************************************
6 * Function: Fuction1
7 * Description:功能函數(shù)
8 * Author: bug菌
9 ********************************************/
10void Fuction1(void)
11{
12 int cpu_sr;
13
14 OS_ENTER_CRITICAL();//進(jìn)入臨界區(qū)
15
16 //do something~
17
18 OS_EXIT_CRITICAL();//退出臨界區(qū)
19}
20
21/*********************************************
22 * Function: Fuction2
23 * Description: 功能函數(shù)
24 * Author: bug菌
25 ********************************************/
26void Fuction2(void)
27{
28 int cpu_sr;
29
30 OS_ENTER_CRITICAL();//進(jìn)入臨界區(qū)
31
32 Fuction1(void);
33
34 OS_EXIT_CRITICAL();//退出臨界區(qū)
35
36}

為了更好的理解，我寫了一下下面的偽代碼，供大家參數(shù)~

1//中斷寄存器register原本是1, 向register寫0關(guān)中斷，向register寫1開中斷
2
3void Fuction2(void)
4{
5 int cpu_sr1 = 0;
6
7 cpu_sr1 = register;
8 register = 0; //register == 0;cpu_sr1 == 1;
9
10 void Fuction1(void)
11 {
12 int cpu_sr1 = 0;
13
14 cpu_sr2 = register;
15 register = 0; //register == 0;cpu_sr2 == 0;
16
17
18 register = cpu_sr2;
19 cpu_sr2 = 0;//register == 0;cpu_sr2 == 0;
20 }
21
22 register = cpu_sr1;
23 cpu_sr1 = 0;//register == 1;cpu_sr1 == 0;
24
25}

不同的OS可能具體實(shí)現(xiàn)有所差異，大體上都一樣~

來源：公眾號(hào)，最后一個(gè)bug

審核編輯：湯梓紅