華為物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)LiteOS內(nèi)核教程05-互斥鎖

1. LiteOS的互斥鎖

1.1. 互斥鎖

在多任務(wù)環(huán)境下，往往存在多個任務(wù)競爭同一共享資源的應(yīng)用場景，互斥鎖可被用于對共享資源的保護從而實現(xiàn)獨占式訪問。互斥鎖(mutex)又稱互斥型信號量，是一種特殊的二值信號量，用于實現(xiàn)對共享資源的獨占式處理。另外，Huawei LiteOS提供的互斥鎖通過優(yōu)先級繼承算法，解決了優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題。

1.2. 互斥鎖的使用方式

多任務(wù)環(huán)境下會存在多個任務(wù)訪問同一公共資源的場景，而有些公共資源是非共享的，需要任務(wù)進行獨占式處理。

互斥鎖怎樣來避免這種沖突呢？

在任意時刻，互斥鎖的狀態(tài)只有兩種：開鎖和閉鎖。

當(dāng)有任務(wù)持有時，互斥鎖處于閉鎖狀態(tài)，這個任務(wù)獲得該互斥鎖的所有權(quán)。當(dāng)該任務(wù)釋放它時，該互斥鎖被開鎖，任務(wù)失去該互斥鎖的所有權(quán)。當(dāng)一個任務(wù)持有互斥鎖時，其他任務(wù)將不能再對該互斥鎖進行開鎖或持有。

那么，當(dāng)一個互斥鎖為加鎖狀態(tài)時，此時其他任務(wù)如果想訪問這個公共資源則會被阻塞，直到互斥鎖被持有該鎖的任務(wù)釋放后，其他任務(wù)才能重新訪問該公共資源，此時互斥鎖再次上鎖，如此確保同一時刻只有一個任務(wù)正在訪問這個公共資源，保證了公共資源操作的完整性。

1.3. 互斥鎖的使用場景

互斥鎖可以提供任務(wù)之間的互斥機制，用來防止兩個任務(wù)在同一時刻訪問相同的共享資源。

除此之外，互斥鎖還可以被用于防止多任務(wù)同步時造成優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)的問題。

2. 互斥鎖API

Huawei LiteOS 系統(tǒng)中的互斥鎖模塊為用戶提供創(chuàng)建/刪除互斥鎖、獲取/釋放互斥鎖的功能。

Huawei LiteOS 系統(tǒng)中提供的互斥鎖 API 都是以 LOS 開頭，但是這些 API 使用起來比較復(fù)雜，所以本文中我們使用 Huawei IoT Link SDK 提供的統(tǒng)一API接口進行實驗，這些接口底層已經(jīng)使用 LiteOS 提供的API實現(xiàn)，對用戶而言更為簡潔，API列表如下：

osal的api接口聲明在中，使用相關(guān)的接口需要包含該頭文件，關(guān)于函數(shù)的詳細參數(shù)請參考該頭文件的聲明。

相關(guān)的接口定義在osal.c中，基于LiteOS的接口實現(xiàn)在 liteos_imp.c文件中：

?

2.1. osal_mutex_create

osal_mutex_create接口用于創(chuàng)建一個互斥鎖，其接口原型如下：

bool_t??osal_mutex_create(osal_mutex_t?*mutex) { ????bool_t?ret?=?false;????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->mutex_create)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->mutex_create(mutex); ????}????return?ret; }

該接口的參數(shù)說明如下表：

?

2.2. osal_mutex_del

osal_mutex_del接口用于刪除一個互斥鎖，其接口原型如下：

bool_t??osal_mutex_del(osal_mutex_t?mutex) { ????bool_t?ret?=?false;????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->mutex_del)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->mutex_del(mutex); ????}????return?ret; }

該接口的參數(shù)說明如下表：

?

2.3. osal_mutex_lock

osal_mutex_lock接口用于獲取一個互斥鎖，其接口原型如下：

bool_t??osal_mutex_lock(osal_mutex_t?mutex) { ????bool_t?ret?=?false;????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->mutex_lock)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->mutex_lock(mutex); ????}????return?ret; }

?

2.4. osal_mutex_unlock

osal_mutex_unlock接口用于釋放一個互斥鎖，如果有任務(wù)阻塞等待該互斥鎖，則喚醒最早被阻塞的任務(wù)，該任務(wù)進入就緒態(tài)，并進行調(diào)度。

其接口原型如下：

bool_t??osal_mutex_unlock(osal_mutex_t?mutex) { ????bool_t?ret?=?false;????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->mutex_unlock)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->mutex_unlock(mutex); ????}????return?ret; }

該接口的參數(shù)說明如下表：

?

3. 動手實驗 —— 使用互斥鎖進行資源保護

實驗內(nèi)容

本實驗中將創(chuàng)建兩個任務(wù)，一個低優(yōu)先級任務(wù)task1，一個高優(yōu)先級任務(wù)task2，兩個任務(wù)之間依次對共享資源上鎖、操作、解鎖，在串口終端中觀察兩個任務(wù)的運行情況。

實驗代碼

首先打開上一篇使用的 HelloWorld 工程，基于此工程進行實驗。

在Demo文件夾右擊，新建文件夾osal_kernel_demo用于存放內(nèi)核的實驗文件（如果已有請忽略這一步）。

接下來在此文件夾中新建一個實驗文件?osal_mutex_demo.c，開始編寫代碼：

/*?使用osal接口需要包含該頭文件?*/#include?/*?任務(wù)優(yōu)先級宏定義（shell任務(wù)的優(yōu)先級為10）?*/#define?USER_TASK1_PRI??12??//低優(yōu)先級#define?USER_TASK2_PRI??11??//高優(yōu)先級/*?共享資源?*/uint32_t?public_value?=?0;/*?互斥鎖索引ID?*/osal_mutex_t?public_value_mutex;/*?任務(wù)task1入口函數(shù)?*/static?int?user_task1_entry(){????while(1) ????{????????/*?嘗試獲取互斥鎖?*/ ????????if(true?==?osal_mutex_lock(public_value_mutex)) ????????{????????????/*?獲取到互斥鎖，對共享資源進行操作?*/ ????????????printf("\r\ntask1:?lock?a?mutex.\r\n"); ????????????public_value?+=?10;????????????printf("task1:?public_value?=?%ld.\r\n",?public_value);????????????/*?對共享資源操作完畢，釋放互斥鎖?*/ ????????????printf("task1:?unlock?a?mutex.\r\n\r\n"); ????????????osal_mutex_unlock(public_value_mutex);????????????/*?滿足條件則結(jié)束任務(wù)?*/ ????????????if(public_value?>?100)????????????????break; ???????????? ????????} ????}????/*?while(1)會執(zhí)行結(jié)束，所以需要返回值?*/ ????return?0; }/*?任務(wù)task2入口函數(shù)?*/static?int?user_task2_entry(){????while?(1) ????{????????/*?嘗試獲取互斥鎖?*/ ???????if(true?==?osal_mutex_lock(public_value_mutex)) ????????{????????????/*?獲取到互斥鎖，對共享資源進行操作?*/ ????????????printf("\r\ntask2:?lock?a?mutex.\r\n"); ????????????public_value?+=?5;? ????????????printf("task2:?public_value?=?%ld.\r\n",?public_value);????????????/*?對共享資源操作完畢，釋放互斥鎖?*/ ????????????printf("task2:?unlock?a?mutex.\r\n\r\n"); ????????????osal_mutex_unlock(public_value_mutex);???????????? ????????????/*?滿足條件則結(jié)束任務(wù)?*/ ????????????if(public_value?>?90)????????????????break;????????????/*?優(yōu)先級較高，需要掛起一下，讓task1獲取到互斥鎖，否則task2再次上鎖，形成死鎖?*/ ????????????osal_task_sleep(10); ????????} ????}????/*?while(1)會執(zhí)行結(jié)束，所以需要返回值?*/ ????return?0; }/*?標準demo啟動函數(shù)，函數(shù)名不要修改，否則會影響下一步實驗?*/int?standard_app_demo_main(){????/*?創(chuàng)建互斥鎖public_value_mutex?*/ ????osal_mutex_create(&public_value_mutex);????/*?創(chuàng)建任務(wù)task1?*/ ????osal_task_create("user_task1",user_task1_entry,NULL,0x400,NULL,USER_TASK1_PRI);????/*?創(chuàng)建任務(wù)task2?*/ ????osal_task_create("user_task2",user_task2_entry,NULL,0x400,NULL,USER_TASK2_PRI);????return?0; }

編寫完成之后，要將我們編寫的 osal_mutex_demo.c文件添加到makefile中，加入整個工程的編譯：

這里有個較為簡單的方法，直接修改Demo文件夾下的user_demo.mk配置文件，添加如下代碼：

#example?for?osal_mutex_demoifeq?($(CONFIG_USER_DEMO),?"osal_mutex_demo")???? ????user_demo_src??=?${wildcard?$(TOP_DIR)/targets/STM32L431_BearPi/Demos/osal_kernel_demo/osal_mutex_demo.c} endif

添加位置如圖：

這段代碼的意思是：

如果 CONFIG_USER_DEMO 宏定義的值是osal_mutex_demo，則將osal_mutex_demo.c文件加入到makefile中進行編譯。

那么，如何配置 CONFIG_USER_DEMO 宏定義呢？在工程根目錄下的.sdkconfig文件中的末尾即可配置：

因為我們修改了mk配置文件，所以點擊重新編譯按鈕進行編譯，編譯完成后點擊下載按鈕燒錄程序。

實驗現(xiàn)象

程序燒錄之后，即可看到程序已經(jīng)開始運行，在串口終端中可看到實驗的輸出內(nèi)容：

linkmain:V1.2.1?AT?11:30:59?ON?Nov?28?2019WELCOME?TO?IOT_LINK?SHELL LiteOS:/> task2:?lock?a?mutex. task2:?public_value?=?5. task2:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?15. task1:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?25. task1:?unlock?a?mutex. task2:?lock?a?mutex. task2:?public_value?=?30. task2:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?40. task1:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?50. task1:?unlock?a?mutex. task2:?lock?a?mutex. task2:?public_value?=?55. task2:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?65. task1:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?75. task1:?unlock?a?mutex. task2:?lock?a?mutex. task2:?public_value?=?80. task2:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?90. task1:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?100. task1:?unlock?a?mutex. task2:?lock?a?mutex. task2:?public_value?=?105. task2:?unlock?a?mutex.

可以看到，系統(tǒng)啟動后，首先打印版本號，串口shell的優(yōu)先級為10，最先打印shell信息，接下來task1先創(chuàng)建，但是優(yōu)先級較低，所以后創(chuàng)建的task2搶占執(zhí)行，task2獲取到互斥鎖，對共享資源進行操作，操作完畢解鎖，然后主動掛起，task1獲取到互斥鎖，對共享資源進行另一個操作，操作完畢解鎖，在task1操作的時候，task2早已掛起完畢，但是獲取不到互斥鎖，所以掛起等待，在task1解鎖后，堵塞的task2被喚醒開始執(zhí)行。