開發(fā)過程中是什么原因?qū)е聝?yōu)先級翻轉(zhuǎn)的？

最近在開發(fā)過程中，遇到一個問題線程優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)的問題。那什么原因?qū)е聝?yōu)先級翻轉(zhuǎn)呢？

在RTOS開發(fā)中，優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題也是值得我們?nèi)リP(guān)注留意的。避免代碼癱瘓。

什么是優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)

所謂的優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題：即當一個高優(yōu)先級線程通過信號量機制訪問共享資源時，該型號量以被一個低優(yōu)先級線程占有，而這個低優(yōu)先級的任務在訪問共享資源時可能又被一個中等優(yōu)先級任務搶占。從上面的描述，高優(yōu)先級線程被許多較低優(yōu)先級的任務阻塞，導致高優(yōu)先級的實時性得不到保證。

舉例：有三個線程分別為：A、B、C。優(yōu)先級A 》 B 》 C，線程A和B處于掛起狀態(tài)，等待某一事件發(fā)生，線程C正在運行，此時任務C開始使用共享資源Source。在使用Source時，線程A等待事件到來，線程A轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，因為線程A優(yōu)先級比線程C高，所以線程A會立即執(zhí)行。當線程A要使用共享資源Source時，由于共享資源Source正在被線程C使用，因此線程A被掛起，線程C開始運行。如果此時中等優(yōu)先級線程B等待事件到來，則線程B轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。由于線程B優(yōu)先級比線程C高，因此線程B開始運行，直到其運行完畢，線程C才開始運行。直到線程C釋放共享資源Source后，線程A才得以執(zhí)行。在這種情況下，優(yōu)先級發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，線程B先于線程A運行。

如何解決優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)

解決優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)的方法：優(yōu)先級天花板、優(yōu)先級繼承。那么這兩種方法有什么？

優(yōu)先級天花板優(yōu)先級天花板是當線程申請某資源時，把該線程的優(yōu)先級提升到可訪問這個資源的所有線程中的最高優(yōu)先級，這個優(yōu)先級稱為該資源的優(yōu)先級天花板。這種方法簡單易行，不必進行復雜的判斷，不管線程是否阻塞了高優(yōu)先級線程的運行， 只要線程訪問共享資源都會提升線程的優(yōu)先級。

優(yōu)先級繼承優(yōu)先級繼承是當線程A申請共享資源Source時，如果共享資源Source正在被線程C使用，通過比較線程C與自身的優(yōu)先級，如發(fā)現(xiàn)線程C的優(yōu)先級小于自身的優(yōu)先級， 則將線程C的優(yōu)先級提升到自身的優(yōu)先級，線程C釋放資源Source后，再恢復線程C的原優(yōu)先級。這種方法只在占有資源的低優(yōu)先級線程阻塞了高優(yōu)先級線程時才動態(tài)的改變線程的優(yōu)先級。

RT-Thread是如何解決線程優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)呢？

在官方的文檔中，對線程優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)有相對應的說明及解決方法。下面我把RT-THREAD官方的描述及解決方法貼出來。

使用信號量會導致的另一個潛在問題是線程優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題。所謂優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)，即當一個高優(yōu)先級線程試圖通過信號量機制訪問共享資源時，如果該信號量已被一低優(yōu)先級線程持有，而這個低優(yōu)先級線程在運行過程中可能又被其它一些中等優(yōu)先級的線程搶占，因此造成高優(yōu)先級線程被許多具有較低優(yōu)先級的線程阻塞，實時性難以得到保證。如下圖所示：有優(yōu)先級為 A、B 和 C 的三個線程，優(yōu)先級 A 》 B 》 C。線程 A，B 處于掛起狀態(tài)，等待某一事件觸發(fā)，線程 C 正在運行，此時線程 C 開始使用某一共享資源 M。在使用過程中，線程 A 等待的事件到來，線程 A 轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，因為它比線程 C 優(yōu)先級高，所以立即執(zhí)行。但是當線程 A 要使用共享資源 M 時，由于其正在被線程 C 使用，因此線程 A 被掛起切換到線程 C 運行。如果此時線程 B 等待的事件到來，則線程 B 轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。由于線程 B 的優(yōu)先級比線程 C 高，因此線程 B 開始運行，直到其運行完畢，線程 C 才開始運行。只有當線程 C 釋放共享資源 M 后，線程 A 才得以執(zhí)行。在這種情況下，優(yōu)先級發(fā)生了翻轉(zhuǎn)：線程 B 先于線程 A 運行。這樣便不能保證高優(yōu)先級線程的響應時間。

在 RT-Thread 操作系統(tǒng)中，互斥量可以解決優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題，實現(xiàn)的是優(yōu)先級繼承算法。優(yōu)先級繼承是通過在線程 A 嘗試獲取共享資源而被掛起的期間內(nèi)，將線程 C 的優(yōu)先級提升到線程 A 的優(yōu)先級別，從而解決優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)引起的問題。這樣能夠防止 C（間接地防止 A）被 B 搶占，如下圖所示。優(yōu)先級繼承是指，提高某個占有某種資源的低優(yōu)先級線程的優(yōu)先級，使之與所有等待該資源的線程中優(yōu)先級最高的那個線程的優(yōu)先級相等，然后執(zhí)行，而當這個低優(yōu)先級線程釋放該資源時，優(yōu)先級重新回到初始設定。因此，繼承優(yōu)先級的線程避免了系統(tǒng)資源被任何中間優(yōu)先級的線程搶占。

說明

對于我們開發(fā)來說，要避免發(fā)生優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)的問題。

優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)的危害：

任務調(diào)度時，時間不確定性，破壞實時系統(tǒng)的實時性，嚴重時可能導致系統(tǒng)崩潰。

優(yōu)先級低的任務比優(yōu)先級高的任務更先執(zhí)行，導致任務的錯亂，邏輯的錯亂。

原文標題：線程優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)，如何避免？

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責任編輯：haq