RT-Thread記錄（五、RT-Thread 臨界區(qū)保護(hù))

前言

為什么要聊臨界區(qū)？

因?yàn)樵?RT-Thread 中臨界區(qū)關(guān)系到線程的順序執(zhí)行，也就是線程同步的問題。

在使用RTOS的時候，多個運(yùn)行的線程往往都需要訪問臨界資源，比如一些全局變量，那么如果不進(jìn)行一定的保護(hù)措施，程序運(yùn)行就可能出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。

RT-Thread 提供了多種途徑來保護(hù)臨界區(qū)，本文主要說明的是：關(guān)閉系統(tǒng)調(diào)度和禁止中斷的方式 。

本 RT-Thread 專欄記錄的開發(fā)環(huán)境：
RT-Thread記錄（一、RT-Thread 版本、RT-Thread Studio開發(fā)環(huán)境 及 配合CubeMX開發(fā)快速上手）
RT-Thread記錄（二、RT-Thread內(nèi)核啟動流程 — 啟動文件和源碼分析
RT-Thread 內(nèi)核篇系列博文鏈接：
RT-Thread記錄（三、RT-Thread 線程操作函數(shù)及線程管理與FreeRTOS的比較）
RT-Thread記錄（四、RT-Thread 時鐘節(jié)拍和軟件定時器）

一、臨界區(qū)

經(jīng)常會聽到臨界區(qū)，臨界資源之類的名詞，那么什么叫臨界區(qū)，臨界資源？

1.1 什么是臨界區(qū)

簡單的概括就是圖中兩句話：

• 臨界資源
  一次僅允許一個進(jìn)程使用的共享資源
• 臨界區(qū)
  每個進(jìn)程中訪問臨界資源的那段代碼稱為 臨界區(qū)

1.2 RTOS中的臨界區(qū)

對于我們的多任務(wù)的RTOS而言，除了外部中斷，自身的多線程和系統(tǒng)調(diào)度機(jī)制，多個線程可能會對共享資源進(jìn)行訪問，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性和完整性，那么就需要對臨界區(qū)進(jìn)行保護(hù)，共享資源要互斥的訪問（比如全局變量）。

首先是最基礎(chǔ)的示例，外部中斷！這個不僅在RTOS存在，前后臺系統(tǒng)也存在：

上面的例子中，如果在線程函數(shù)中，加入臨界區(qū)保護(hù)，使得線程對臨界資源 a 的操作沒有結(jié)束以前不響應(yīng)中斷，就不會發(fā)生問題。

再來看一個線程間對臨界資源訪問的例子：

在上圖的示例中 （可能delay(1)和時鐘節(jié)拍一樣可能有點(diǎn)問題，可能需要多一點(diǎn)延時，這里意思到了就行，不糾結(jié)了= =?。乙呀?jīng)分析了如果沒有臨界區(qū)保護(hù)會出現(xiàn)的問題（有問題請指出），實(shí)際程序結(jié)果可能不會是程序本來想要的結(jié)果，這種錯誤是需要避免的！

本小結(jié)以下內(nèi)容包括后面臨界區(qū)的保護(hù)源碼分析是擴(kuò)展說明，懂與不懂不影響學(xué)會使用 RT-Thread 臨界區(qū)保護(hù)，因?yàn)樯婕暗?RTOS的調(diào)度原理，PendSV異常等知識，需要一定的基礎(chǔ)，這里建議想學(xué)習(xí)RTOS的小伙伴務(wù)必好好看看《Cortex-M3與Cortex-M4權(quán)威指南》這個文檔。

理解上面示例關(guān)系到RTOS的調(diào)度原理，上面解釋中用到的中斷打斷線程后現(xiàn)場保存，現(xiàn)場恢復(fù)，線程調(diào)度。得對RTOS的調(diào)度原理有一定的理解，在RTOS中除了外部中斷會打斷線程的執(zhí)行，還有Systick中斷和一個重要的 PendSV 異常。

PendSV 也稱為可懸起的系統(tǒng)調(diào)用，它是一種異常，可以像普通的中斷一樣被掛起，它是專門用來輔助操作系統(tǒng)進(jìn)行上下文切換的。PendSV 異常會被初始化為最低優(yōu)先級的異常。每次需要進(jìn)行上下文切換的時候，會手動觸發(fā) PendSV 異常，在 PendSV 異常處理函數(shù)中進(jìn)行上下文切換。

詳細(xì)理解請參考我另一篇博文：
FreeRTOS記錄（三、RTOS任務(wù)調(diào)度原理解析_Systick、PendSV、SVC）

這里用文中截圖稍微解釋一下：

總之，對于RTOS而言，在訪問臨界資源的時候，需要特別注意，做好臨界區(qū)的保護(hù)。

為了避免出現(xiàn)上面我們所說的問題，RTOS對臨界區(qū)采取了一些對應(yīng)的保護(hù)方法，一般來說有：
關(guān)閉系統(tǒng)調(diào)度，關(guān)中斷，利用信號量，互斥量。

RT-Thread 信號量，互斥量我們會在下篇博文來說明，本文主要來了解下關(guān)閉中斷和系統(tǒng)調(diào)度的操作。

二、RT-Thread臨界區(qū)保護(hù)

2.1 禁止調(diào)度

RT-Thread 調(diào)度器上鎖 和 調(diào)度器解鎖的函數(shù)如下：

void rt_enter_critical(void);//調(diào)度器上鎖，進(jìn)入調(diào)度臨界區(qū)，不再切換線程
void rt_exit_critical(void);//調(diào)度器解鎖，退出調(diào)度臨界區(qū)

注意，調(diào)度鎖不會阻止系統(tǒng)的響應(yīng)中斷，只不過是中斷處理完成退出后，繼續(xù)執(zhí)行被鎖住的線程。如果中斷中有訪問臨界資源的情況，此方式不適用??！

調(diào)度器上鎖和調(diào)度器解鎖函數(shù)，是成對使用的，切記！

使用示例：

禁止調(diào)度源碼簡析

但是上面的函數(shù)只對rt_scheduler_lock_nest變量進(jìn)行了自增，并沒有別的操作，那么這個變量是如何影響調(diào)度器的呢？
我們查到使用到變量rt_scheduler_lock_nest的地方，找到如下代碼：

那么同樣的，在rt_exit_critical函數(shù)中，當(dāng)然就是變量自減了：

仔細(xì)看了這段代碼還能發(fā)現(xiàn)一個細(xì)節(jié)，就是這個關(guān)閉調(diào)度和打開調(diào)度是支持嵌套的！ 調(diào)度器上鎖一次，就要解鎖一次，上鎖2次，就得解鎖2次。

通過這個也告訴我們，有些時候多看看源碼，會比直接看說明對邏輯的理解更直觀！

2.2 屏蔽中斷

RTOS所有的線程調(diào)度都是建立在中斷基礎(chǔ)上的，關(guān)閉中斷，不僅可以屏蔽，外部中斷，也可以禁止調(diào)度，他比上面的禁止調(diào)度“更能夠保護(hù)”臨界區(qū)。

RT-Thread 屏蔽中斷 和 使能中斷的函數(shù)如下：

/*
返回值：
中斷狀態(tài) 	rt_hw_interrupt_disable 函數(shù)運(yùn)行前的中斷狀態(tài)
*/
rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void);//屏蔽中斷
/*
參數(shù)：
level 	前一次 rt_hw_interrupt_disable 返回的中斷狀態(tài)
*/
void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);//中斷使能

注意，上面的終端所中斷鎖是最強(qiáng)大的和最高效的同步方法，這個方法最主要的問題在于，中斷響應(yīng)延時會拉長，對于實(shí)時性特別極端的場合需要注意，所以實(shí)際使用要根據(jù)應(yīng)用場合，合理的使用。

中斷屏蔽和中斷使能函數(shù)也是是成對使用的，切記！

使用示例：

中斷鎖源碼簡析

上面的函數(shù)找到申明，但是跳轉(zhuǎn)不到函數(shù)原型：

那么函數(shù)的實(shí)現(xiàn)在什么地方呢？如下圖：

因?yàn)槭褂玫氖?gcc 編譯器，所以context_gcc.S文件中的函數(shù)體前后語句會與 MDK下有一定的區(qū)別，但函數(shù)實(shí)現(xiàn)的匯編語言都是一樣的：

/*
 * rt_base_t rt_hw_interrupt_disable();
 */
 /*
 .global關(guān)鍵字用來讓一個符號對鏈接器可見，可以供其他鏈接對象模塊使用
 前面兩句意思就類似于定義了一個全局可調(diào)用的函數(shù)rt_hw_interrupt_disable 
 */
    .global rt_hw_interrupt_disable //告訴編譯器rt_hw_interrupt_disable 是一個全局可見的
    .type rt_hw_interrupt_disable, %function//告訴編譯器rt_hw_interrupt_disable是一個函數(shù)
rt_hw_interrupt_disable:
    MRS     R0, PRIMASK   //讀取PRIMASK寄存器的值到r0寄存器
    CPSID   I             //關(guān)閉全局中斷,具體原因見博文后續(xù)說明
    BX      LR       	//函數(shù)返回,通過LR 連接寄存器 返回

/*
 * void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);
 */
    .global rt_hw_interrupt_enable   //與上面類似
    .type rt_hw_interrupt_enable, %function
rt_hw_interrupt_enable:
    MSR     PRIMASK, R0  //將 r0 的值寄存器寫入到 PRIMASK 寄存器
    BX      LR   		//函數(shù)返回,通過LR 連接寄存器 返回

即便上面的代碼我寫了注釋，告訴了意思，但是還是會有問題，為什么 CPSID I就是關(guān)閉全局中斷？

如果好好看了《Cortex-M3與Cortex-M4權(quán)威指南》這個文檔，所有東西都能明白了。

PRIMSK：中斷屏蔽特殊寄存器。利用 PRIMSK，可以禁止除HardFault 和 NMI外的所有異常。在上面推薦文檔中有說明：

CPSID I就是禁止中斷，CPSIE I就是使能中斷。

一個細(xì)節(jié)，為什么 rt_hw_interrupt_enable 函數(shù)，不用 CPSIE I恢復(fù)中斷？

答案就是，如果使用CPSIE I使能中斷，那么中斷鎖就無法嵌套。使用R0寄存器將當(dāng)前的PRIMASK的狀態(tài)保存起來，這樣子就必須要關(guān)多少次中斷就得開多少次中斷。

另外值得一說的是， 在上面的示例中R0寄存器中保存的值，就是 rt_base_t level這個變量！

通過上述分析，我們應(yīng)該完全明白了，RT-Thread 的中斷鎖是如何實(shí)現(xiàn)的，那么其他的RTOS是不是都是這個樣子呢？ 我們來看看 FreeRTOS 對于中斷鎖是如何實(shí)現(xiàn)的。

與FreeRTOS區(qū)別

FreeRTOS的臨界區(qū)，在我的博文介紹過：FreeRTOS記錄（四、FreeRTOS任務(wù)堆棧溢出問題和臨界區(qū)）

這里我們就只看一下他的實(shí)現(xiàn)代碼來和 RT-Thread 比較一下（同樣是以M3為例，M0與M3又是不同的）：

這里我們分析就用在任務(wù)中屏蔽中斷的函數(shù)來分析，在中斷中屏蔽分析類似，只不過稍微復(fù)雜一點(diǎn)。

屏蔽中斷：

#define portDISABLE_INTERRUPTS()				vPortRaiseBASEPRI()
/*----------------------------------------------*/
/*只需要注意操作的寄存器為 basepri*/
/*----------------------------------------------*/

portFORCE_INLINE static void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
uint32_t ulNewBASEPRI;

	__asm volatile
	(
		"	mov %0, %1												\n" \
		"	msr basepri, %0											\n" \  
		"	isb														\n" \
		"	dsb														\n" \
		:"=r" (ulNewBASEPRI) : "i" ( configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY ) : "memory"
	);
}

使能中斷：

//...
#define portENABLE_INTERRUPTS()					vPortSetBASEPRI(0)
/*只需要注意操作的寄存器為 basepri*/
portFORCE_INLINE static void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulNewMaskValue )
{
	__asm volatile
	(
		"	msr basepri, %0	" :: "r" ( ulNewMaskValue ) : "memory"
	);
}
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原文鏈接：https://blog.csdn.net/weixin_42328389/article/details/123593592

這里我們通過 FreeRTOS 中斷鎖的代碼可以看出，它操作的是basepri寄存器，而不是PRIMSK寄存器，那么basepri寄存器又是什么呢？ 答案還是從《Cortex-M3與Cortex-M4權(quán)威指南》文檔中可以找到：

FreeRTOS 在中斷鎖的操作上面，是利用 basepri 寄存器屏蔽特定優(yōu)先級的中斷。 這個優(yōu)先級的設(shè)置是用戶可以自行設(shè)置的。這給非常緊急的中斷留了一條后路。

但是不管怎樣，在任何時候，臨界區(qū)處理的代碼當(dāng)然是時間越短越好??！

2.3 實(shí)際應(yīng)用場合

簡單總結(jié)一下，臨界區(qū)的保護(hù)實(shí)際應(yīng)用中可能需要的場合：

調(diào)用公共函數(shù)的代碼（不可重入函數(shù)）
讀取或者修改變量（全局變量）
使用硬件資源（在操作內(nèi)存或者flash的時候）
對時序有精準(zhǔn)要求的操作（I2C通訊，但是得注意在通訊中不能使用利用了systick的延時函數(shù)，用干等的延時）
某些用戶不想被打斷的代碼（比如 printf 打?。?/p>

在一般的場合，普通臨界區(qū)的保護(hù)使用禁止調(diào)度的方式就可以滿足需求了，除非你中斷中有對臨界資源的訪問。
當(dāng)然事無絕對，有些時候中斷的發(fā)生對某些普通任務(wù)（比如ADC采樣）也可能產(chǎn)品影響，所以還是需要根據(jù)實(shí)際情況，合理的使用 臨界區(qū)保護(hù)。

結(jié)語

本文的內(nèi)容從學(xué)會 RT-Thread 臨界區(qū)保護(hù)的使用來說是比較簡單，只需要掌握幾個函數(shù)的調(diào)用就可以。但對于了解實(shí)現(xiàn)原理來說相對復(fù)雜些，需要對內(nèi)核，對操作系統(tǒng)基本原理有一定的理解。

我們通過對這幾個函數(shù)源碼的簡單分析，讓我們對其原理的實(shí)現(xiàn)有了更直觀的理解，養(yǎng)成看源碼是對我們學(xué)習(xí)有幫助的一個好習(xí)慣！

下一篇 RT-Thread 記錄，就要來學(xué)習(xí) RT-Thread 的線程間同步相關(guān)的信號量，互斥量，這也是 RT-Thread 對臨界區(qū)的另一種保護(hù)方式。

謝謝！