Task之互斥制信号量
- 2019 年 10 月 31 日
- 筆記
多任务系统里经常面临一个问题：资源竞争。哪些资源呢？很多，例如外设、文件、数据等。当多个任务同时访问这些资源，就会发生冲突。例如下面这段代码
每调用一次函数myBufPut()，就会在数组myBuf[]中存入一个字符，这相当于一个入栈操作。在实际系统中，任务多了，任何情况都可能发生，假如有两个任务(T1、T2)都调用这个函数，就可能出现以下执行序列
T1刚把myBufIndex加了1，就被高优先级的T2抢占了。然后必须等T2退出就绪队列，T1才能继续执行。最后的结果是myBuf[0]里啥也没存，而myBuf[1]里先被存入'b'，又被存入'a'。可见仅仅两行代码，就会出乱子。那如果只有一行代码呢？
这个函数够简单了吧，就一条执行++的语句。反编译看一下
可以看到，机器在执行时，是把它拆为三条指令的。也就是有两个位置可以抢占的，资源冲突的风险还是存在的。 更为严重的是，这种冲突发生的机率很小！例如T2早一点或晚一点进入就绪队列，都不会干扰到T1的执行。所以这种资源冲突很难复现出来。这种不确定性，给软件的调试带来了很大麻烦。 那怎么办呢，也就是如何避免冲突呢？VxWorks给出的主要解决方案是互斥信号量-Mutex Semaphore 多个任务竞争资源时，给共享的这个资源加上一个互斥信号量，就相当于加上一把锁。想要访问资源的任务，需要先申请互斥锁。如果申请成功，就可以访问资源；否则就得阻塞。资源访问完毕，需要释放互斥锁；然后其它任务才能够访问。 这个互斥信号量就像《Task之二进制信号量》一样，使用之前，也需要创建
返回值就是信号量的ID，参数options的取值通常有四个
SEM_Q_FIFO与SEM_Q_PRIORITY是互斥关系，创建信号量时，必须二选一，决定了多个任务阻塞到同一个信号量上的时候，要采用哪种排队方式。 创建信号量之后，就可以使用它了。用的是与二进制信号量一样的两个函数：semTake()用来申请信号量，semGive()用来释放信号量。
myBufPut()的例子就可以改成这样了
这样使用互斥信号量保护共享资源后，就不可能有多个任务同时访问它了
不过互斥信号量的使用规则有些不同
- 互斥信号量是谁申请、谁释放
- 申请成功后，可以再次申请，不过要释放同样的次数
- 中断里本来就不能申请任何信号量，所以中断里也不能释放互斥信号量
流程图也就有所不同了
写个例子，尽可能多的覆盖这两个流程的分支
跑一下，看看效果
可以看到
- task1可以多次申请同一信号量
- task1释放同样次数后，其它阻塞任务才可能解除阻塞
- option用的0，即SEM_Q_FIFO，因此先创建的task2先解除阻塞
- task1释放次数过多时，报错
把option换成SEM_Q_PRIORITY试试
这次是task3先解除阻塞了，因为它的优先级高一些
互斥信号量在使用时，还有些需要注意的地方
上图中，三个任务的优先级都不一样，tHigh在竞争tLow已占用的同一资源时，被迫阻塞了。而这个时候，tMedium因为已经就绪就会抢在tLow之前执行。这种现象就叫做Priority Inversion，可以翻译为优先级倒置、反转、逆转、翻转等。意思就是说优先级高一些的tHigh需要等待优先级略低的tMedium。 这显然违背了实时系统的基本思想！
怎么解决呢？非常简单，在创建互斥信号量时，指定选项SEM_INVERSION_SAFE。这样当tHigh申请同一个信号量时，系统就会将持有该信号量的tLow的优先级临时提高到与tHigh相同，tLow就会先于tMedium执行，tMedium就不会干扰到tHigh了
有一点要注意的是：SEM_INVERSION_SAFE需要和SEM_Q_PRIORITY一起使用。 可能有人会疑惑，tHigh不是还要等tLow释放信号量才能执行吗？tLow的优先级本来更低呀。 tHigh不得不等，因为它俩要访问同一资源，否则会出现冲突。不过这也提醒我们，一个任务持有互斥信号量的时间要尽可能的短，不然可能会拖累高优先级的任务。 怎样才算短呢？在持有信号量的时候，尽量不要调用可能阻塞或延时的操作！
持有互斥信号量还有一个风险：任务被意外删除。这样信号量将永远不会被释放了，其它任务也不可能申请成功了。为了避免这样情况，要谨慎使用taskDelete()，另外，互斥信号量也提供了一种选项：SEM_DELETE_SAFE。有了这个选项，任务在持有该信号量时，尝试删除它的taskDelete()就会返回ERROR。 因此互斥信号量创建时的选项经常写作
最后，动态申请的信号量如果不用了，需要使用semDelete()删除。另外，在Shell里可以用show()命令来查看信号量的属性
最后的最后，留一个问题：听说过死锁吗？
这正是： 资源共享有风险，多人同用易混乱。 互斥Semaphore来上锁，谨慎使用保平安。
