嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題

摘要：嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中由于多任務(wù)共享資源，通常會(huì)出現(xiàn)一些奇怪的現(xiàn)象。本文就什么是優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)及其產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并提出2個(gè)行之有效的解決方案。

    關(guān)鍵詞：嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng) 多任務(wù) 信號(hào)量 優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)

1 問(wèn)題的提出

　　目前，市場(chǎng)上占有率比較高的商業(yè)RTOS有VxWorks/PSOS、QNX、 LynxOS、VRTX,、Windows CE等。這些為數(shù)眾多的RTOS絕大多數(shù)都是多任務(wù)實(shí)時(shí)微內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，采用的是基于優(yōu)先級(jí)的可搶占式調(diào)度策略。系統(tǒng)為每一個(gè)任務(wù)分配一個(gè)優(yōu)先權(quán)，調(diào)度程序保證當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程是優(yōu)先權(quán)最高的進(jìn)程。但是，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一種比較奇怪的現(xiàn)象：由于多進(jìn)程共享資源，具有最高優(yōu)先權(quán)的進(jìn)程被低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程阻塞，反而使具有中優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程先于高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程執(zhí)行，導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。這就是所謂的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)（Priority Inversion）。

2 優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)

　　RTOS普遍具有2個(gè)特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性和多任務(wù)。實(shí)時(shí)是指系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，超出這個(gè)時(shí)間限制將會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯(cuò)誤；同時(shí)，實(shí)時(shí)性還要求對(duì)時(shí)間要求非常急迫的任務(wù)要先于對(duì)時(shí)間不是很緊急的任務(wù)執(zhí)行。正是由于這2個(gè)原因，RTOS的進(jìn)程調(diào)度普遍采用的是基于優(yōu)先級(jí)的可搶占式PBP（Priority Based Preemptive）的調(diào)度策略。多任務(wù)是嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)在要求。如今的嵌入式系統(tǒng)普遍要求具有多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行的能力，因此RTOS中也必須提供多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行的支持。由于多任務(wù)并發(fā)，必然會(huì)導(dǎo)致多個(gè)任務(wù)共享資源。如有2個(gè)任務(wù)task1和task2并發(fā)執(zhí)行，都需要向打印機(jī)輸出結(jié)果。由于只有1臺(tái)打印機(jī)，所以在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)只能有1個(gè)任務(wù)，如task1占有打印機(jī)并向打印機(jī)輸出，而這時(shí)另一個(gè)任務(wù)task2處于等待狀態(tài)。當(dāng)task1輸出完畢后，task2由等待轉(zhuǎn)為就緒，當(dāng)RTOS再次調(diào)度它時(shí)，方可占有打印機(jī)向打印機(jī)輸出。試想如果不采取這種方式，不對(duì)打印機(jī)這種共享資源加以控制，而讓task1和task2同時(shí)向打印機(jī)輸出，這時(shí)候打印機(jī)打印的結(jié)果誰(shuí)也看不懂，是一堆亂七八糟的東西。因此，大多數(shù)的RTOS采用了一種稱作信號(hào)量（semaphore）的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的管理。任何一個(gè)想使用臨界資源（如打印機(jī)等共享資源）的進(jìn)程在進(jìn)入臨界區(qū)（如task1或task2中訪問(wèn)臨界資源的代碼）之前必須擁有使用臨界資源的信號(hào)量，否則不可以執(zhí)行臨界區(qū)代碼。假設(shè)系統(tǒng)中有3個(gè)任務(wù)，分別為task1、task2和task3。task1的優(yōu)先權(quán)高于task2，而task2的優(yōu)先權(quán)高于task3。恰在此時(shí)task1和task2 因某種原因被阻塞，這時(shí)候系統(tǒng)調(diào)度task3執(zhí)行。task3執(zhí)行一段時(shí)間后，task1被喚醒。由于采取的是PBP的調(diào)度策略，因此task1搶占task3的CPU, task1執(zhí)行。task1執(zhí)行一段時(shí)間后要進(jìn)入臨界區(qū)，但此時(shí)task3占有此臨界資源的信號(hào)量。因此task1被阻塞，處于等待狀態(tài)，等待task3釋放此信號(hào)量。經(jīng)過(guò)這么一段時(shí)間后，task2此時(shí)此刻處于就緒狀態(tài)。因此系統(tǒng)調(diào)度task2執(zhí)行。如果task3在task2的執(zhí)行期間一直沒(méi)有能夠被調(diào)度執(zhí)行的話，那task1和task3將一直等到task2執(zhí)行完后才能執(zhí)行，task1更要等到task3釋放它所把持的信號(hào)量才能執(zhí)行；而這段時(shí)間完全有可能超出task1的Deadline，使得task1崩潰。當(dāng)系統(tǒng)看到有高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)崩潰時(shí)候，系統(tǒng)認(rèn)為此時(shí)有重大事故發(fā)生，為了挽救系統(tǒng)，看門狗電路起作用，系統(tǒng)可能被自動(dòng)復(fù)位。從上面的分析可以看到，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的原因是由于優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)task1要獲取被低優(yōu)先級(jí)任務(wù)task2占有的臨界資源而被task2阻塞，而具有中優(yōu)先級(jí)的任務(wù)task2搶占task3的CPU,從而導(dǎo)致task2先于task1執(zhí)行。這時(shí)候系統(tǒng)便出現(xiàn)了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的情況，如圖1所示。

3 優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的解決方法

　　目前解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)有許多種方法。其中普遍使用的有2種方法：一種被稱作優(yōu)先級(jí)繼承（priority inheritance）；另一種被稱作優(yōu)先級(jí)極限（priority ceilings）。

　　在優(yōu)先級(jí)繼承方案中，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)在等待低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)占有的信號(hào)量時(shí)，讓低優(yōu)先級(jí)任務(wù)繼承高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，即把低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的優(yōu)先權(quán)提高到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)；當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級(jí)任務(wù)釋放高優(yōu)先級(jí)任務(wù)等待的信號(hào)量時(shí)，立即把其優(yōu)先權(quán)降低到原來(lái)的優(yōu)先權(quán)。采用這種方法可以有效地解決上面所述的優(yōu)先權(quán)反轉(zhuǎn)的問(wèn)題。當(dāng)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)task1想要進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，由于低優(yōu)先級(jí)任務(wù)task3占有這個(gè)臨界資源的信號(hào)量，導(dǎo)致task1被阻塞。這時(shí)候，系統(tǒng)把task3的優(yōu)先權(quán)升到task1的優(yōu)先權(quán)，此時(shí)優(yōu)先權(quán)處于task1和task3之間的任務(wù)task2，即使處于就緒狀態(tài)也不可以被調(diào)度執(zhí)行，因?yàn)榇藭r(shí)task3的優(yōu)先權(quán)已經(jīng)高于task2，所以task3此時(shí)被調(diào)度執(zhí)行。當(dāng)task3釋放task1需要的信號(hào)量時(shí)，系統(tǒng)立即把task3的優(yōu)先權(quán)降到原來(lái)的高度，來(lái)保證task1和task2正常有序執(zhí)行。整個(gè)情況如圖2所示。目前，有許多RTOS是采用這種方法來(lái)防止優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的，如大家比較熟悉的業(yè)界有名的WindRiver公司的VXWORKS。

　　在優(yōu)先權(quán)極限方案中，系統(tǒng)把每一個(gè)臨界資源與1個(gè)極限優(yōu)先權(quán)相聯(lián)系。這個(gè)極限優(yōu)先權(quán)等于系統(tǒng)此時(shí)最高優(yōu)先權(quán)加1。當(dāng)1個(gè)任務(wù)進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，系統(tǒng)便把這個(gè)極限優(yōu)先權(quán)傳遞給這個(gè)任務(wù)，使得這個(gè)任務(wù)的優(yōu)先權(quán)最高；當(dāng)這個(gè)任務(wù)退出臨界區(qū)后，系統(tǒng)立即把它的優(yōu)先權(quán)恢復(fù)正常，從而保證系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)優(yōu)先權(quán)反轉(zhuǎn)的情況。如上例中，當(dāng)task3進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，立即把它的優(yōu)先權(quán)升高到極限優(yōu)先權(quán)，保證task3此時(shí)能盡快退出臨界區(qū)，進(jìn)而釋放其占有的信號(hào)量。當(dāng)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)task1執(zhí)行的時(shí)候就不會(huì)出現(xiàn)其等待低優(yōu)先級(jí)任務(wù)task3釋放信號(hào)量而被阻塞的情況，從而保證不會(huì)出現(xiàn)上面所說(shuō)的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。采用這種方案的另一個(gè)有利之處，是僅僅通過(guò)改變某個(gè)臨界資源的優(yōu)先級(jí)就可以使多個(gè)任務(wù)共享這個(gè)臨界資源，如下所示。

void TaskA(void){

...

SetTaskPriority(RES_X_PRIO);

// 訪問(wèn)共享資源 X.

SetTaskPriority(TASK_A_PRIO);

...

}

　　以上就RTOS中優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題出現(xiàn)的原因以及解決方法進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。21世紀(jì)將是嵌入式系統(tǒng)的時(shí)代。從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人員深入了解RTOS的原理和內(nèi)部潛在的問(wèn)題，如優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)等，將有助于開發(fā)出更加可靠的產(chǎn)品。