摘要：Small RTOS51是一款重要的小型實時內(nèi)核，消息隊列是其提供的重要任務間通信的機制。針對其消息隊列實現(xiàn)代碼中的缺陷以及可能導致的消息丟失這一嚴重問題，從操作系統(tǒng)等待與喚醒機制理論的角度出發(fā)，剖析Small RTOS51內(nèi)核在消息隊列甚至互斥型信號量等實現(xiàn)機制上的漏洞所在；進一步指出原內(nèi)核實現(xiàn)方式的修改方法，以及《Small RTOS51中消息隊列的一處隱患》作者提出的第2種修改方法的完美實現(xiàn)。
關鍵詞：Small RTOS51 消息隊列 喚醒模型 隱患分析
引言
貴刊2005年第7期《Small RTOS51中消息隊列的一處隱患》一文，對Small RTOS51V1.12.1版本的消息隊列機制進行了周密的分析，不但找出了問題所在，也提出了相應的兩種解決方法[1]。實時嵌入式系統(tǒng)對于安全性有很高的要求，作為實時嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核，不但要求精簡高效，更要加強安全，防止因操作系統(tǒng)出錯而在應用領域導致災難性的后果。因此原文作者所做的工作極有價值，同時也感謝貴刊對這一領域的高度重視。
因為這一問題涉及到內(nèi)核的等待與喚醒機制，并且正是由于對內(nèi)核的等待與喚醒機制的理解與運用不同，才導致了問題的出現(xiàn)，所以本文從操作系統(tǒng)理論的高度以及目前主流的實時內(nèi)核的實現(xiàn)方法兩方面入手論述這一問題，并揭示如何才能完美實現(xiàn)原文的第2種方法。
1 內(nèi)核喚醒機制的三種模型
當利用系統(tǒng)調(diào)用接口獲取資源時，如果資源不滿足，系統(tǒng)調(diào)用可以返回錯誤，也可以根據(jù)選項懸掛等待；當有任務釋放資源從而資源可以滿足時，就要將資源等待隊列中的相關任務喚醒。喚醒模型有三種[2]：
第1種，將該資源等待隊列中的任務全部喚醒，讓這些任務與系統(tǒng)中的其他任務平等竟爭資源。這種策略會使系統(tǒng)在一段時間內(nèi)繁忙，因為最終只有一個任務獲取到資源，其他任務可能將經(jīng)歷一個從就緒態(tài)到運行態(tài)再到阻塞態(tài)的過程。這種現(xiàn)象在操作系統(tǒng)理論上稱為“千軍萬馬奔騰”。就目前的一些主流實時內(nèi)核VxWorks、Nucleus、uC/OS?II等來講，都沒有采用這種策略。
第2種，將該資源等待隊列中的一個任務喚醒，依據(jù)所采用的策略不同，可以是等待任務中優(yōu)先級最高的，也可以是第1個進入等待隊列中的任務。這個任務被喚醒后將和系統(tǒng)中的其他任務一起競爭這個資源。如果這個任務最終沒有競爭到這個資源，它將再次進入該資源的等待隊列并進行任務調(diào)度。
第3種，將該資源等待隊列中的一個任務喚醒，依據(jù)所采用的策略不同，可以是等待任務中優(yōu)先級最高的，也可以是第1個進入等待隊列中的任務，這點和第2種方法是一樣的。和第2種情況不同的是，這個任務被指定為資源的獲得者。主流實時內(nèi)核VxWorks、Nucleus、uC/OS?II等都采用這種策略。以VxWorks為例，其內(nèi)核文檔指出[3]：“任務或ISR調(diào)用msgQSend()向消息隊列發(fā)送消息。此時如果沒有任務在等待該隊列中的消息，那么該消息進入消息隊列的緩沖；如果有任務等待該隊列的消息，那么這個消息立即提交給第1個等待的任務。”這段話有兩方面的含義：① 明確指出第1個等待的任務獲得資源；② 第1個等待的任務獲得資源的方式是直接從消息的發(fā)送者那里獲得，也就是說這個消息將不進入消息隊列進行緩沖，消息在發(fā)送者和接收者之間進行手把手的傳遞。對于這種機制的實現(xiàn)，可以以著名的源代碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng)Nucleus為例。下面是Nucleus內(nèi)核關于接收消息的一段精彩的代碼：
else {
/* 消息隊列為空，決定是否懸掛等待*/
if (suspend) {
/* 增加等待該消息隊列的任務數(shù)量 */
queue -> qu_tasks_waiting++;
/* 填充懸掛塊數(shù)據(jù)結構并且懸掛該任務*/
suspend_ptr =&suspend_block;
suspend_ptr -> qu_queue=queue;
suspend_ptr -> qu_suspend_link.cs_next=NU_NULL;
suspend_ptr -> qu_suspend_link.cs_previous=NU_NULL;
suspend_ptr -> qu_message_area=
(UNSIGNED_PTR) message;
suspend_ptr -> qu_message_size=size;
task=(TC_TCB *) TCT_Current_Thread();
suspend_ptr -> qu_suspended_task=task;
/* 判斷該消息隊列的等待方式是先進先出還是按任務
的優(yōu)先級 */
if (queue -> qu_fifo_suspend) {
/* 是先進先出等待方式，將懸掛塊鏈入消息隊列
的等待鏈表 */
CSC_Place_On_List((CS_NODE **)
&(queue -> qu_suspension_list),
&(suspend_ptr -> qu_suspend_link));
}
else {
/* 按優(yōu)先級方式將懸掛塊鏈入任務等待鏈表的
合適位置 */
suspend_ptr -> qu_suspend_link.cs_priority =
TCC_Task_Priority(task);
CSC_Priority_Place_On_List((CS_NODE **)
&(queue -> qu_suspension_list),
&(suspend_ptr -> qu_suspend_link));
}
/* 懸掛調(diào)用任務，并自動取消該消息隊列的臨界區(qū)
保護 */
TCC_Suspend_Task((NU_TASK *) task,
NU_QUEUE_SUSPEND,
QUC_Cleanup, suspend_ptr, suspend);
/* 獲取該系統(tǒng)調(diào)用要求的返回狀態(tài)以及返回值*/
status =suspend_ptr -> qu_return_status;
*actual_size =suspend_ptr -> qu_actual_size;
}
else
/* 在消息隊列為空以及不等待的方式下，返回狀態(tài)
指示消息隊列為空*/
status =NU_QUEUE_EMPTY;
}
這段代碼是處理消息隊列中沒有消息時的情況的，并且在不進行懸掛等待時返回碼是NU_QUEUE_EMPTY，提示隊列為空。我們注意到在選擇懸掛等待的情況下，填充了suspend_ptr指針所指的一個懸掛塊結構，suspend_ptr -> qu_message_area填充的是接收任務指定的接收緩沖區(qū)指針，suspend_ptr -> qu_message_size填充的是接收任務指定的接收消息長度。接下來依據(jù)不同的等待策略（任務優(yōu)先級或FIFO）,將填充好的消息隊列懸掛塊鏈入該消息隊列的懸掛等待鏈表中，進行任務調(diào)度。正是有了這個消息隊列懸掛塊數(shù)據(jù)結構，將來發(fā)送消息的任務依據(jù)這個懸掛塊中指定的接收消息緩沖區(qū)指針，把消息從發(fā)送任務直接復制到接收任務。當接收消息的任務被喚醒并獲得執(zhí)行權后，只是簡單地依據(jù)懸掛塊中的相關域的內(nèi)容返回系統(tǒng)調(diào)用而已。從上述分析可以看出，懸掛塊數(shù)據(jù)結構起著重要的作用，它不僅標明了是哪個任務在等待，也標明了等待任務的一些詳細信息，同時也有結果狀態(tài)域。通過對Nucleus內(nèi)核定時器機制的分析得知，在任務等待資源超時的情況下，懸掛等待塊的結果狀態(tài)域將被填充NU_TIMEOUT。
2 針對Small RTOS51消息隊列的分析
有了上述三種模型的分析，很容易看出Small RTOS51V1.12.1版消息隊列所采用的是第2種模型，只是在實現(xiàn)時出現(xiàn)重大遺漏，被喚醒的任務沒有競爭到資源時應重新進入等待表，而其內(nèi)核代碼卻沒有體現(xiàn)到這一點。這一點《Small RTOS51中消息隊列的一處隱患》的作者已經(jīng)分析得很清楚，其提出的第1種解決方案也很正確。重點是第2種解決方案。第2種解決方案屬于第3種模型，但其實現(xiàn)技術欠佳。正如原文作者所指出的那樣，第2種方案具有其自身不可調(diào)和的矛盾：“在發(fā)送消息的OSQIntPost（）函數(shù)中，如果檢測到有任務正在等待此消息，則并不把消息數(shù)(buf[0])加1”，但這個消息畢竟進入消息隊列了，這就造成了一種矛盾狀態(tài)，消息數(shù)與消息隊列中的實際消息不相符。為了實現(xiàn)第3種模型的效果，即被喚醒的等待任務獲取資源，在消息數(shù)為0的情況下，原文作者通過進一步判斷該任務是否還處在消息隊列的等待任務表中，來決定該任務是否從消息隊列中獲取消息；但消息數(shù)為0而消息隊列中還有消息卻為發(fā)送消息帶來隱患。要想解決這一矛盾，OSQIntPost（）在喚醒等待任務的同時就應該將該消息傳遞給這個任務，這樣消息數(shù)仍然為0才不留隱患。uC/OS?II實現(xiàn)這一策略的技術是任務被喚醒后檢查任務控制塊中的OSTCBCur->OSTCBMsg這一數(shù)據(jù)域[4,5]，獲取到的消息指針在此。注意,OSQPost（）在有等待任務的情況下,如下處理：
if (pevent->OSEventGrp != 0x00) { /* 判斷是否有任務懸掛在消息隊列的等待表中 */28OS_EventTaskRdy(pevent, msg,OS_STAT_Q); /*將等待表中最高優(yōu)先級任務喚醒*/
OS_EXIT_CRITICAL();
OS_Sched(); /* 進行任務調(diào)度，運行最高優(yōu)先級任務*/
return (OS_NO_ERR);
}
即消息指針沒有進消息隊列并且消息指針通過OS_EventTaskRdy(pevent, msg, OS_STAT_Q)傳給被喚醒的任務。這一作法符合第3種模型。
由此可見，Small RTOS51V1.12.1要想實現(xiàn)第3種模型，其內(nèi)核的數(shù)據(jù)結構需要有一些變化，像原文第2種方案那樣修改代碼，是不能最終解決問題的。同Nucleus相比，實現(xiàn)消息隊列時，uC/OS?II雖然沒有引入懸掛等待塊的概念，但其通過在任務控制塊中引入相應數(shù)據(jù)項來最終實現(xiàn)第3種模型，并且結果是在任務被喚醒后進行判斷的。
3 結論
雖然各種各樣的實時嵌入式操作系統(tǒng)千差萬別，但從操作系統(tǒng)理論的角度分析,很容易將它們納入到某一具體的模型;實現(xiàn)細節(jié)有很大的不同，但其實現(xiàn)的功能應符合通用原理。在操作系統(tǒng)理論的指導下，結合具體的實例源代碼分析、理解和應用，才能有更大的把握。
參考文獻
1 陳皓. Small RTOS51中消息隊列的一處隱患. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2005(7)
2 Jim Mauro,Richard McDougall.Solaris內(nèi)核結構.北京：機械工業(yè)出版社，2001
3 孔祥營,等. 嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks及其開發(fā)環(huán)境Tornado. 北京：中國電力出版社，2001
4 Labrosse Jean J.uC/OS?II——源碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng).北京：中國電力出版社，2001
5 Labrosse Jean J.嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS?II.北京：北京航空航天大學出版社，2003
韓明峰：碩士，主要研究方向為實時嵌入式系統(tǒng)。
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