基于STM32的mbedOS優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題機制剖析

葉柯陽 王宜懷 徐婷婷 劉長勇

1(蘇州大學計算機科學與技術(shù)學院 江蘇 蘇州 215006) 2(武夷學院數(shù)學與計算機學院 福建 武夷山 354300)

0 引 言

mbedOS是一款面向ARM Cortex-M系列處理器的開源實時操作系統(tǒng)(Real-Time Operating System，RTOS)[1]。它于2014年由ARM公司推出，專為物聯(lián)網(wǎng) (Internet of Things，IoT) 中的“物體”設(shè)計[2]，包含了開發(fā)基于Arm Cortex-M微控制器的聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品所需的所有特性，包括安全性、連接性、RTOS傳感器和I/O設(shè)備的驅(qū)動程序，具有堆棧共用和事件驅(qū)動兩大代表性特點。

目前，針對嵌入式實時操作系統(tǒng)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題的研究集中在VxWorks操作系統(tǒng)、WinCE操作系統(tǒng)、μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)等，而對mbedOS實時操作系統(tǒng)避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題的機制研究方面缺乏相關(guān)材料。為此，本文將利用Cortex-M4內(nèi)核的STM32微控制器，基于Kinetis Design Studio 3.1.0 IDE開發(fā)環(huán)境和SD-mbedOS工程框架[3]，通過一個測試工程對mbedOS避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題的機制進行分析，剖析其從各線程啟動，到申請互斥量，再到最終釋放互斥量的全過程，結(jié)合相關(guān)函數(shù)、關(guān)鍵代碼、流程圖、時序圖等分析其實現(xiàn)的原理。通過對mbedOS避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題機制的剖析，可為 mbedOS的應(yīng)用研究和在不同微控制器上的移植提供基礎(chǔ)，也可為不同實時操作系統(tǒng)下避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題機制的比較分析提供參考。

1 優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題描述

1.1 歷史問題

“火星探路者”于1997年7月4日在火星表面著陸。在開始的幾天內(nèi)工作穩(wěn)定，并傳回大量數(shù)據(jù)，但是幾天后，“探路者”開始出現(xiàn)系統(tǒng)復位、數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。究其原因是發(fā)生了優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題[4]。

1.2 一般性描述

當線程以獨占方式使用共享資源時，可能出現(xiàn)低優(yōu)先級線程先于高優(yōu)先級線程被運行的現(xiàn)象，這就是優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題，可進行如下一般性描述。

假設(shè)有三個線程Ta、Tb、Tc，其優(yōu)先級分別記為Pa、Pb、Pc，且有Pa>Pb>Pc，Ta和Tc使用一個共享資源S，Tb并不使用共享資源S，用信號量x(x=0,1)標識對S的獨占訪問，初始時x=1，表示可獨占S。設(shè)t0時刻，Tc先運行并獲取信號量(即x由1變?yōu)?，表示S已被占用)，使用S。t1時刻，Ta被調(diào)度運行，因為Pa>Pc，故搶占Tc獲得CPU使用權(quán)。Ta運行至t2時刻，需訪問S，但Tc并沒有釋放S(即x仍為0)，所以Ta放入阻塞隊列，直到x=1，才能從阻塞隊列中移出，放入就緒隊列，被重新調(diào)度運行。t3時刻，Tb搶占Tc獲得運行，此時就出現(xiàn)了Tb雖然優(yōu)先級比Ta低，卻比Ta先運行的現(xiàn)象，不合理，這就是優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。表1給出了上述過程的運行時序。

表1 優(yōu)先級反轉(zhuǎn)過程

1.3 避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題的意義

對于嵌入式實時操作系統(tǒng)來說，最重要的指標在于確認線程執(zhí)行的時間是可預測的，即要確保在任何時刻執(zhí)行某個線程都不能超過某個特定的時間。然而由于本身基于優(yōu)先級設(shè)計的線程，每個優(yōu)先級不同的線程往往對應(yīng)著現(xiàn)實中執(zhí)行的任務(wù)，若發(fā)生了優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，會導致低優(yōu)先級線程比高優(yōu)先級線程先執(zhí)行，造成線程調(diào)度時時間的不確定性，破壞實時系統(tǒng)的實時性，嚴重時可能導致系統(tǒng)崩潰。因此處理好這類問題對于實時操作系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要。

2 優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題避免方法

2.1 基本方法

常見的避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)方法一般有兩種，分別為優(yōu)先級繼承和優(yōu)先級天花板。

(1) 優(yōu)先級繼承。優(yōu)先級繼承(priority inheritance)是指通過臨時提升持有資源的低優(yōu)先級線程的優(yōu)先級至請求訪問同一資源的高優(yōu)先級線程的優(yōu)先級來避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的方法[5]。

(2)優(yōu)先級天花板。優(yōu)先級天花板(priority ceiling)是指通過將申請并得到資源的線程的優(yōu)先級臨時提升至所有可能使用該資源的線程中最高優(yōu)先級線程的優(yōu)先級(即天花板)來避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的方法[5]。

2.2 操作系統(tǒng)層面解決方法

許多嵌入式實時操作系統(tǒng)，例如μC/OS-Ⅱ、VxWorks、WinCE等針對這一問題都有自己的處理方式。μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)提供互斥信號量mutex來避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，其利用的是優(yōu)先級置頂協(xié)議[6]。VxWorks操作系統(tǒng)對優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題采用優(yōu)先級繼承協(xié)議，整體上使用互斥信號量，按優(yōu)先級與先入先出隊列兩種方式排列等待對該互斥信號量進行上鎖的線程，在創(chuàng)建互斥信號量時，選擇SEM_INVERSION_ SAFE與SEM_Q_PRIORITY兩種選擇值的域，即可避免優(yōu)先權(quán)反轉(zhuǎn)[7]。WinCE實時操作系統(tǒng)軟件采用優(yōu)先級繼承方式來避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，當高優(yōu)先級線程被低優(yōu)先級線程阻塞時，會提升低優(yōu)先級線程的優(yōu)先級至高優(yōu)先級線程的優(yōu)先級，從而避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)現(xiàn)象[8]。

3 mbedOS優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題機制流程分析

本文將使用一個測試工程來對mbedOS避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題機制進行流程分析。首先對部分關(guān)鍵代碼進行分析，然后給出調(diào)度時序，最后對執(zhí)行流程進行分段解析。測試工程的功能是：創(chuàng)建三個用戶線程Ta、Tb、Tc，初始優(yōu)先級分別設(shè)置為26、25、24(在mbedOS中數(shù)字越大優(yōu)先級越高，將此處三個線程的優(yōu)先級分別命名為Pa、Pb、Pc)，啟動運行順序為Tc、Ta、Tb，其中Tc和Ta使用同一互斥量來申請對共享資源S的獨占使用，Tb并不使用共享資源S。測試工程通過串口輸出三個線程調(diào)度時使用互斥量避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的詳細過程。為了確保整體執(zhí)行流程能夠循環(huán)執(zhí)行，過程中使用到了延時函數(shù)(會將線程放入延時隊列)，此處模擬線程到達的先后順序為：經(jīng)過1秒后Tc到達，再經(jīng)過4秒后Ta、Tb到達(注意此處到達順序為先Ta后Tb)。測試工程的執(zhí)行流程如圖1所示。

圖1 測試工程執(zhí)行流程

3.1 關(guān)鍵代碼分析

3.1.1互斥量控制塊

在mbedOS中使用互斥量控制塊的方式來描述互斥量，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct osRtxMutex_s

{

uint8_t id;

//互斥量ID

uint8_t state;

//互斥量狀態(tài)

uint8_t flags;

//互斥量標志

uint8_t attr;

//互斥量屬性

const char *name;

//互斥量名稱

osRtxThread_t *thread_list;

//互斥量阻塞隊列

osRtxThread_t *owner_thread;

//互斥量私有線程

struct osRtxMutex_s *owner_prev;

//指向前一個互斥量

struct osRtxMutex_s *owner_next;

//指向下一個互斥量

uint8_t lock;

//互斥鎖

uint8_t padding[3];

//保留

} osRtxMutex_t;

其中互斥量屬性attr包括嵌套型互斥量(osMutexRecursive)、內(nèi)部優(yōu)先級互斥量(osMutexPrioInherit)和健壯互斥量(osMutexRobust)。當高優(yōu)先級的線程等待已被低優(yōu)先級的線程鎖定互斥量時，若該互斥量擁有內(nèi)部優(yōu)先級屬性，則低優(yōu)先級的線程會以高優(yōu)先級線程的優(yōu)先級運行，這種方式是以繼承的形式進行傳遞的。當線程解鎖互斥量時，線程的優(yōu)先級自動變?yōu)樗瓉淼膬?yōu)先級。mbedOS正是利用了這一關(guān)鍵屬性來避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。

3.1.2互斥量鎖定函數(shù)

在mbedOS中，線程可通過使用互斥量對象調(diào)用lock函數(shù)的方式申請鎖定互斥量。lock函數(shù)內(nèi)部調(diào)用順序為lock→osMutexAcquire→_ _svcMutexAcquire→觸發(fā)SVC中斷服務(wù)程序SVC_Handler→實際互斥量鎖定函數(shù)svcRtxMutexAcquire。

其中涉及到優(yōu)先級部分的關(guān)鍵代碼如下：

if ((mutex->attr & osMutexPrioInherit) !=0U) {

if (mutex->owner_thread->prioritypriority) {

mutex->owner_thread->priority=thread->priority;

osRtxThreadListSort(mutex->owner_thread);

}

}

代碼段分析：if((mutex->attr & osMutexPrioInherit)!=0U)語句表示判斷該互斥量對象是否具有內(nèi)部優(yōu)先級屬性，若包含則進一步判斷該互斥量私有線程的優(yōu)先級mutex->owner_thread->priority是否小于當前運行線程的優(yōu)先級thread->priority，若小于則將當前運行線程的優(yōu)先級賦值給該互斥量私有線程的優(yōu)先級，即所謂的優(yōu)先級繼承。

3.1.3互斥量解鎖函數(shù)

在mbedOS中，線程可通過使用互斥量對象調(diào)用unlock函數(shù)的方式申請解鎖互斥量。unlock函數(shù)內(nèi)部調(diào)用順序為unlock→osMutexRelease→_ _svcMutexRelease→觸發(fā)SVC中斷服務(wù)程序SVC_Handler→實際互斥量解鎖函數(shù)svcRtxMutexRelease。

其中涉及到優(yōu)先級部分的關(guān)鍵代碼如下：

if ((mutex->attr & osMutexPrioInherit)!=0U) {

priority=thread->priority_base;

mutex0=thread->mutex_list;

while (mutex0 != NULL) {

if ((mutex0->thread_list!=NULL) && (mutex0->thread_list->priority>priority)) {

priority=mutex0->thread_list->priority;

}

mutex0=mutex0->owner_next;

}

thread->priority=priority;

}

代碼段分析：if((mutex->attr & osMutexPrioInherit)!=0U)語句表示判斷該互斥量是否具有內(nèi)部優(yōu)先級屬性，priority和mutex0均表示臨時局部變量，thread表示當前運行線程。若該互斥量包含內(nèi)部優(yōu)先級屬性，則首先獲取當前運行線程初始化時的優(yōu)先級thread->priority_base賦值給priority以及當前運行線程所擁有的互斥量列表指針thread->mutex_list賦值給mutex0。然后使用while循環(huán)找到mutex0所在的互斥量列表中的所有互斥量所擁有的所有線程，獲取優(yōu)先級最高的線程的優(yōu)先級并賦值給priority。最后將當前運行線程的優(yōu)先級變?yōu)閜riority。

特別要指出的是，上述while循環(huán)語句是為了避免當?shù)蛢?yōu)先級線程與多個高優(yōu)先級線程嵌套使用多個互斥量時可能造成的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。由于只有當系統(tǒng)中存在三個或三個以上線程時才可能發(fā)生優(yōu)先級反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，故此處以四個線程為例。假設(shè)有兩個高優(yōu)先級線程Ta和Tb、一個中優(yōu)先級線程Tc以及一個低優(yōu)先級線程Td，優(yōu)先級分別為Pa、Pb、Pc、Pd，其中Pa>Pb>Pc>Pd，Ta和Td使用同一互斥量mutex1共享資源S1， Tb和Td使用同一互斥量mutex2共享資源S2，且Td首先申請鎖定互斥量mutex2，再在釋放mutex2之前申請鎖定互斥量mutex1(連續(xù)鎖定多個互斥量遵循后進先出原則，即后鎖定的互斥量先釋放)。設(shè)t0時刻，Td首先到達并鎖定了互斥量mutex2和互斥量mutex1。t1時刻Ta和Tb到達，等待Td解鎖各自需要的互斥量。Tc也在t1時刻到達，由于Ta和Tb調(diào)用互斥量鎖定函數(shù)svcRtxMutexAcquire時已將Td的優(yōu)先級提升至最高值Pa，故Tc會進入等待狀態(tài)，等待Td運行。t2時刻，Td解鎖互斥量mutex1，若此時未使用上述while循環(huán)語句，Td會直接降為其初始優(yōu)先級Pd，此時Ta會搶占Td獲得CPU使用權(quán)，鎖定互斥量mutex1并執(zhí)行。t3時刻，Ta運行完畢，此時處于等待狀態(tài)的Td由于優(yōu)先級低于Tc，會被Tc搶占CPU使用權(quán)，使得Td無法解鎖互斥量mutex2，從而導致優(yōu)先級低于Tb的線程Tc卻先于Tb運行，造成優(yōu)先級反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，具體過程如表2所示。

表2 四線程優(yōu)先級反轉(zhuǎn)過程

續(xù)表2

若只涉及到一個低優(yōu)先級線程和一個高優(yōu)先級線程對于同一個互斥量的使用，則在低優(yōu)先級線程(即上述代碼中的thread)解鎖互斥量的過程中，由于thread擁有的互斥量列表已在執(zhí)行上述代碼之前釋放，故mutex0為空，while循環(huán)實際上并不執(zhí)行，而是直接通過語句：

priority=thread->priority_base;

thread->priority=priority;

將thread的優(yōu)先級轉(zhuǎn)變?yōu)槠涑跏純?yōu)先級。

3.2 優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題測試工程執(zhí)行流程分析

本文的測試工程在STM32微控制器[13]上進行。STM32片內(nèi)Flash存儲區(qū)大小為256 KB，一般用來存放中斷向量、程序代碼、常量等；片內(nèi)RAM存儲區(qū)大小為32 KB，一般用于存放初始化的全局變量、靜態(tài)變量、局部變量等。

3.2.1線程調(diào)度時序分析

測試工程涉及到的三個線程具體調(diào)度時序圖如圖2所示。

圖2 線程調(diào)度時序圖

其中“?”表示線程或隊列的有效運行時間，實線箭頭表示線程運行、進入隊列、申請互斥量或改變優(yōu)先級，虛線箭頭表示從隊列取線程(互斥量)或返回申請互斥量結(jié)果。

3.2.2執(zhí)行流程分段解析

目前，國內(nèi)外針對嵌入式實時操作系統(tǒng)的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題采用的分析方法，大多為一個基于示例圖的淺層實驗[9-10]，均沒有完整地將處理機制分析清楚。針對上述問題，本文將采用基于時序圖并在代碼中相應(yīng)位置插入printf語句的方法進行分析。插入printf語句的分析方式是應(yīng)用最廣泛的調(diào)試技術(shù)之一，可應(yīng)用于計算機視覺中來輸出中間結(jié)果[11]，亦可應(yīng)用于程序功能分析中得到故障產(chǎn)生的信息[12]。該方法具有簡單、清晰、直觀等優(yōu)點。

(1) 線程啟動。從芯片上電到mbedOS 啟動完成后，會最終轉(zhuǎn)到app_init函數(shù)執(zhí)行，然后可在app_init函數(shù)中創(chuàng)建用戶線程[3]。在該函數(shù)中創(chuàng)建并先后啟動了三個用戶線程Tc、Ta、Tb，然后阻塞該函數(shù)的運行。為確保線程能正常被創(chuàng)建，不被其他線程打斷，在創(chuàng)建用戶線程的過程中，使用了互斥量。

printf輸出結(jié)果如下：

0-1.當前運行的主線程(2000FF80)啟動線程Tc.

4-1.互斥量(20001694)的互斥鎖=0,表示未鎖定，當前運行線程(2000FF80)可以申請該互斥量

4-2.互斥鎖變?yōu)?,表示互斥量申請成功

8.互斥鎖變?yōu)?，表示完全解鎖,將當前互斥量(20001694)從當前運行線程(2000FF80)擁有的互斥量列表(2000FFAC)中移除

*9-1.當前線程=2000FF80的初始優(yōu)先級=24，當前優(yōu)先級=24

*9-2.釋放互斥量后，當前線程=2000FF80的初始優(yōu)先級=24，當前優(yōu)先級=24

0-2.當前運行的主線程(2000FF80)啟動線程Ta.

4-1.互斥量(20001814)的互斥鎖=0,表示未鎖定，當前運行線程(2000FF80)可以申請該互斥量

4-2.互斥鎖變?yōu)?,表示互斥量申請成功

8.互斥鎖變?yōu)?，表示完全解鎖,將當前互斥量(20001814)從當前運行線程(2000FF80)擁有的互斥量列表(2000FFAC)中移除

*9-1.當前線程=2000FF80的初始優(yōu)先級=24，當前優(yōu)先級=24

*9-2.釋放互斥量后，當前線程=2000FF80的初始優(yōu)先級=24，當前優(yōu)先級=24

0-3.當前運行的主線程(2000FF80)啟動線程Tb.

4-1.互斥量(20001754)的互斥鎖=0,表示未鎖定，當前運行線程(2000FF80)可以申請該互斥量

4-2.互斥鎖變?yōu)?,表示互斥量申請成功

8.互斥鎖變?yōu)?，表示完全解鎖,將當前互斥量(20001754)從當前運行線程(2000FF80)擁有的互斥量列表(2000FFAC)中移除

*9-1.當前線程=2000FF80的初始優(yōu)先級=24，當前優(yōu)先級=24

*9-2.釋放互斥量后，當前線程=2000FF80的初始優(yōu)先級=24，當前優(yōu)先級=24

******Tc、Ta和Tb啟動完成,同時阻塞主線程******

(2) Tc申請鎖定互斥量。阻塞主線程后，由于初始時Tc延時1秒，而Ta和Tb延時5秒，故Tc會先從延時隊列中移出放入就緒隊列，搶占空閑線程獲得CPU使用權(quán)。由于互斥鎖為0，Tc申請鎖定互斥量成功，互斥鎖變?yōu)?，同時點亮藍燈。

printf輸出結(jié)果如下：

5.當前就緒隊列中最高優(yōu)先級線程(20001834)取代當前運行線程(200016B4)，開始運行

1.Tc(200016B4)獲得CPU使用權(quán)，藍燈亮

1-1.Tc申請鎖定互斥量

4-1.互斥量(20001880)的互斥鎖=0,表示未鎖定，當前運行線程(200016B4)可以申請該互斥量

4-2.互斥鎖變?yōu)?,表示互斥量申請成功

1-2.Tc鎖定互斥量成功,將鎖定15秒

(3) Ta申請鎖定互斥量。在Tc鎖定互斥量4秒后，Ta和Tb從延時隊列中移出，放入到就緒隊列，由于Pa大于Pb，故mbedOS會從就緒隊列中取出Ta激活運行。又因為Pa大于Pc，故Ta會搶占Tc獲得CPU使用權(quán)，Tc被放入就緒隊列，同時熄滅藍燈。

但當Ta運行至申請鎖定互斥量時，由于此時互斥量已被Tc鎖定(互斥鎖為1)，Ta申請互斥量失敗，因此會將Tc的優(yōu)先級提升至與Ta的優(yōu)先級相同(即使用優(yōu)先級繼承方法將Tc的優(yōu)先級提升至Pa)，然后將Tc放入就緒隊列重新排序，Ta自身進入等待隊列和互斥量阻塞隊列，將CPU使用權(quán)讓給Tc，等待Tc解鎖互斥量。

printf輸出結(jié)果如下：

5.當前就緒隊列中最高優(yōu)先級線程(20001834)取代當前運行線程(200016B4)，開始運行

2.Ta(20001834)搶占Tc獲得CPU使用權(quán),藍燈暗

2-1.Ta申請鎖定互斥量

6.互斥鎖=1,表示已鎖定(其所有者線程=200016B4),互斥量申請失敗

*7-1.優(yōu)先級繼承前，當前互斥量私有線程=200016B4的優(yōu)先級=24低于當前運行線程=20001834的優(yōu)先級=26

*7-2.優(yōu)先級繼承后，當前互斥量私有線程=200016B4的優(yōu)先級被提升至與當前運行線程=20001834的優(yōu)先級=26相同

*7-3.將當前互斥量私有線程=200016B4從互斥量私有線程列表中移出，并放到就緒隊列(200001D0)中重新排序

6-1.將當前運行線程(20001834)放到等待隊列(200001E4)

6-2.從就緒隊列(200001D0)獲取優(yōu)先級最高的線程(200016B4),并設(shè)置為激活態(tài)準備運行

6-3.將當前運行線程(20001834)放入互斥量阻塞隊列(20001888):20001834->0->80019A9

(4) Tc解鎖互斥量。Tc重新獲得CPU使用權(quán)后，繼續(xù)運行。由于互斥量是由Tc鎖定的，因此Tc能成功解鎖互斥量。在解鎖過程中，由于當前運行線程Tc將互斥量從它的互斥量列表中移出，故此時mutex0為空，因此在互斥量解鎖函數(shù)svcRtxReleaseMutex中會直接將Tc的優(yōu)先級降為其初始優(yōu)先級Pc。解鎖后互斥鎖為0，同時點亮藍燈，Tc放入就緒隊列，又開始等待執(zhí)行新一輪的執(zhí)行過程。此時互斥量會從互斥量列表移出，并移轉(zhuǎn)給正在等待互斥量的Ta，之后Ta放入就緒隊列，由于Pa>Pb>Pc，故在就緒隊列中Ta處于隊首位置。mbedOS從就緒隊列中取出優(yōu)先級最高的Ta激活運行，Ta成功鎖定互斥量，互斥鎖變?yōu)?。

printf輸出結(jié)果如下：

1-3.Tc解鎖互斥量成功，藍燈亮

8.互斥鎖變?yōu)?，表示完全解鎖,將當前互斥量(20001880)從當前運行線程(200016B4)擁有的互斥量列表(200016E0)中移除

*9-1.當前線程=200016B4的初始優(yōu)先級=24，當前優(yōu)先級=26

*9-2.釋放互斥量后，當前線程=200016B4的初始優(yōu)先級=24，當前優(yōu)先級=24

10-1.從互斥量阻塞隊列(20001888)中獲取優(yōu)先級最高的互斥量等待線程=20001834

10-2.將線程(20001834)從等待隊列(200001E4)中移出

10-3.將線程(20001834)放到就緒隊列(200001D0)

11.此時就緒隊列=200001D0中的線程:20001834->20001774->20001328

10-4.將剛獲取的線程(20001834)設(shè)置為互斥量所有者,互斥鎖變?yōu)?

(5) Ta解鎖互斥量。Ta運行5秒后，由于互斥量是由Ta鎖定的，因此Ta能成功解鎖互斥量，解鎖后互斥鎖為0，同時熄滅藍燈?；コ饬繌幕コ饬苛斜硪瞥?，同時為了重復上述演示過程，Ta放入延時隊列5秒，5秒之后從延時隊列移出放入就緒隊列，又開始等待執(zhí)行新一輪的執(zhí)行過程。

printf輸出結(jié)果如下：

5.當前就緒隊列中最高優(yōu)先級線程(20001834)取代當前運行線程(200016B4)，開始運行

2-2.Ta鎖定互斥量成功，將鎖定5秒

2-3.Ta解鎖互斥量成功,藍燈暗

8.互斥鎖變?yōu)?，表示完全解鎖,將當前互斥量(20001880)從當前運行線程(20001834)擁有的互斥量列表(20001860)中移除

*9-1.當前線程=20001834的初始優(yōu)先級=26，當前優(yōu)先級=26

*9-2.釋放互斥量后，當前線程=20001834的初始優(yōu)先級=26，當前優(yōu)先級=26

(6) Tb運行。在Ta進入延時隊列后，mbedOS從就緒隊列中取出優(yōu)先級最高的Tb激活運行。Tb運行5秒后釋放CPU使用權(quán)，為了重復上述演示過程，Tb放入延時隊列4秒，之后從延時隊中移出放入就緒隊列，又開始等待執(zhí)行新一輪的執(zhí)行過程。printf輸出結(jié)果如下：

3.Tb(20001774)獲得CPU使用權(quán)，將運行5秒，成功避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)

5.當前就緒隊列中最高優(yōu)先級線程(20001834)取代當前運行線程(20001774)，開始運行

3-1.taskB釋放CPU使用權(quán)

其中地址2000FF80表示主線程，地址200016B4表示Tc，地址20001834表示Ta，地址20001774表示Tb，地址80019A9表示缺省處理函數(shù)DefaultISR，地址20001328表示空閑線程(系統(tǒng)中無運行線程時該線程被調(diào)度運行)。

4 mbedOS優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題機制歸納

通過上述流程分析，mbedOS中避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題機制可歸納如下：

mbedOS整體上使用的是基于互斥量的優(yōu)先級繼承方法來避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，其中優(yōu)先級繼承方法包括優(yōu)先級提升與優(yōu)先級恢復兩部分。當線程調(diào)用svcRtxMutexAcquire函數(shù)申請鎖定互斥量時，系統(tǒng)首先判斷該互斥量是否已鎖定，若已鎖定，則進一步判斷該互斥量是否具有內(nèi)部優(yōu)先級屬性osMutexPrioInherit，若是，則通過語句mutex->owner_thread->priority=thread->priority將當前運行線程(thread)的優(yōu)先級賦給該互斥量的私有線程(mutex->owner_thread)，即優(yōu)先級繼承方法中的優(yōu)先級提升；當線程調(diào)用svcRtxMutexRelease函數(shù)申請鎖定互斥量時，系統(tǒng)首先判斷該互斥量是否具有內(nèi)部優(yōu)先級屬性osMutexPrioInherit，若是，則獲取當前運行線程的互斥量列表，若除了該互斥量以外，還具有其他互斥量，則遍歷其他互斥量的私有線程列表，獲取其中最高優(yōu)先級線程的優(yōu)先級，并將其賦給當前運行線程，否則直接將當前運行線程優(yōu)先級變?yōu)槠涑跏純?yōu)先級，即優(yōu)先級繼承方法中的優(yōu)先級恢復。

5 結(jié) 語

優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題是每一個實時操作系統(tǒng)所必須要考慮到的問題，一旦出現(xiàn)，就會破壞系統(tǒng)的實時性，輕則造成系統(tǒng)邏輯紊亂，嚴重時甚至會導致系統(tǒng)崩潰。本文首先通過歷史上出現(xiàn)過的問題引出優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，并分析其現(xiàn)象、避免的意義以及基本解決方案，然后利用Cortex-M4內(nèi)核的STM32微控制器，基于Kinetis Design Studio 3.1.0 IDE開發(fā)環(huán)境和SD-mbedOS工程框架，構(gòu)建一個測試工程對mbedOS避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題的機制進行了詳細剖析。通過剖析，有助于快速理解mbedOS中互斥量的使用以及避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題的詳細過程，可為 mbedOS的應(yīng)用研究和在不同微控制器上的移植提供基礎(chǔ)，也可為不同實時操作系統(tǒng)下避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題機制的比較分析提供參考。