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互斥量
互斥量又叫相互排斥的信号量,是一种特殊的二值信号量。它和信号量不同的是,它支持互斥量所有权、递归访问以及防止优先级翻转的特性,用于实现对临界资源的独占式处理。
互斥量工作机制
任意时刻互斥量的状态只有两种,开锁或闭锁。当互斥量被任务持有时,该互斥量处于闭锁状态,这个任务获得互斥量的所有权。当该任务释放这个互斥量时,该互斥量处于开锁状态,任务失去该互斥量的所有权。当一个任务持有互斥量时,其他任务将不能再对该互斥量进行开锁或持有。持有该互斥量的任务也能够再次获得这个锁而不被挂起,这就是递归访问,也就是递归互斥量的特性,这个特性与一般的信号量有很大的不同,*在信号量中,由于已经不存在可用的信号量,任务递归获取信号量时会发生主动挂起任务最终形成死锁。*如果想要用于实现同步(任务之间或者任务与中断之间),二值信号量或许是更好的选择,虽然互斥量也可以用于任务与任务、任务与中断的同步,但是互斥量更多的是用于保护资源的互锁。
使用信号量会导致的另一个潜在问题是线程优先级翻转问题
。所谓优先级翻转,即当一个高优先级线程试图通过信号量机制访问共享资源时,如果该信号量已被一低优先级线程持有,而这个低优先级线程在运行过程中可能又被其它一些中等优先级的线程抢占,因此造成高优先级线程被许多具有较低优先级的线程阻塞,实时性难以得到保证。
互斥量类似于只有一个车位的停车场:当有一辆车进入的时候,将停车场大门锁住,其他车辆在外面等候。当里面的车出来时,将停车场大门打开,下一辆车才可以进入。
互斥量的优先级继承机制
在主流的RTOS中,为了降低优先级翻转问题常使用优先级继承。优先级继承是指,暂时提高某个占有某种资源的低优先级任务的优先级,使之与在所有等待该资源的任务中优先级最高那个任务的优先级相等,而当这个低优先级任务执行完毕释放该资源时,优先级重新回到初始设定值。因此,继承优先级的任务避免了系统资源被任何中间优先级的任务抢占。了。例如
(设优先级 A> B > C)
优先级继承是通过在线程 A 尝试获取共享资源而被挂起的期间内,将线程 C 的优先级提升到线程 A 的优先级别,从而解决优先级翻转引起的问题。这样能够防止 C(间接地防止 A)被 B 抢占。
互斥量与二值信号量最大的不同是:互斥量具有优先级继承机制,而信号量没有。也就是说,某个临界资源受到一个互斥量保护,如果这个资源正在被一个低优先级任务使用,那么此时的互斥量是闭锁状态,也代表了没有任务能申请到这个互斥量,如果此时一个高优先级任务想要对这个资源进行访问,去申请这个互斥量,那么高优先级任务会因为申请不到互斥量而进入阻塞态,那么系统会将现在持有该互斥量的任务的优先级临时提升到与高优先级任务的优先级相同,这个优先级提升的过程叫做优先级继承。这个优先级继承机制确保高优先级任务进入阻塞状态的时间尽可能短,以及将已经出现的“优先级翻转”危害降低到最小。
注:在获得互斥量后,请尽快释放互斥量,并且在持有互斥量的过程中,不得再行更改持有互斥量线程的优先级,否则可能人为引入无界优先级反转的问题。
互斥量的使用场合
互斥量的使用比较单一,因为它是信号量的一种,并且它是以锁的形式存在。在初始化的时候,互斥量永远都处于开锁的状态,而被线程持有的时候则立刻转为闭锁的状态。互斥量更适合于:
(1)线程多次持有互斥量的情况下。这样可以避免同一线程多次递归持有而造成死锁的问题。
(2)可能会由于多线程同步而造成优先级翻转的情况。
多任务环境下往往存在多个任务竞争同一临界资源的应用场景,互斥量可被用于对临界资源的保护从而实现独占式访问。另外,互斥量可以降低信号量存在的优先级翻转问题带来的影响。
另外需要注意的是互斥量不能在中断服务函数中使用,因为其特有的优先级继承机制只在任务起作用,在中断的上下文环境毫无意义。
事件集
事件集也是线程间同步的机制之一,一个事件集可以包含多个事件,利用事件集可以完成一对多,多对多的线程间同步。
事件集工作机制
事件是一种实现任务间通信的机制,主要用于实现多任务间的同步,但事件通信只能是事件类型的通信,无数据传输。与信号量不同的是,它可以实现一对多,多对多的同步。即一个任务可以等待多个事件的发生:可以是任意一个事件发生时唤醒任务进行事件处理;也可以是几个事件都发生后才唤醒任务进行事件处理。同样,也可以是多个任务同步多个事件。
每一个事件组只需要很少的 RAM 空间来保存事件组的状态。
这种多个事件的集合可以用一个 32 位无符号整型变量来表示,变量的每一位代表一个事件,线程通过 “逻辑与” 或“逻辑或”将一个或多个事件关联起来,形成事件组合。事件的 “逻辑或” 也称为是独立型同步,指的是线程与任何事件之一发生同步;事件 “逻辑与” 也称为是关联型同步,指的是线程与若干事件都发生同步。
多任务环境下,任务、中断之间往往需要同步操作,一个事件发生会告知等待中的任务,即形成一个任务与任务、中断与任务间的同步。事件可以提供一对多、多对多的同步操作。一对多同步模型:一个任务等待多个事件的触发,这种情况是比较常见的;多对多同步模型:多个任务等待多个事件的触发。
事件集的使用场合
事件集可使用于多种场合,它能够在一定程度上替代信号量,用于线程间同步。一个线程或中断服务例程发送一个事件给事件集对象,而后等待的线程被唤醒并对相应的事件进行处理。但是它与信号量不同的是,事件的发送操作在事件未清除前,是不可累计的,而信号量的释放动作是累计的。事件的另一个特性是,接收线程可等待多种事件,即多个事件对应一个线程或多个线程。同时按照线程等待的参数,可选择是 “逻辑或” 触发还是 “逻辑与” 触发。这个特性也是信号量等所不具备的,信号量只能识别单一的释放动作,而不能同时等待多种类型的释放。
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