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嵌入式實時系統中的優先級反轉問題
摘要：嵌入式實時系統中由于多任務共享資源，通常會出現一些奇怪的現象。本文就什么是優先級反轉及其產生原因進行分析，并提出2個行之有效的解決方案。1 問題的提出
目前，市場上占有率比較高的商業RTOS有VxWorks/PSOS、QNX、 LynxOS、VRTX,、Windows CE等。這些為數眾多的RTOS絕大多數都是多任務實時微內核的結構，采用的是基于優先級的可搶占式調度策略。系統為每一個任務分配一個優先權，調度程序保證當前運行的進程是優先權最高的進程。但是，有時候會出現一種比較奇怪的現象：由于多進程共享資源，具有最高優先權的進程被低優先級進程阻塞，反而使具有中優先級的進程先于高優先級的進程執行，導致系統的崩潰。這就是所謂的優先級反轉（Priority Inversion）。
2 優先級反轉
RTOS普遍具有2個特點：實時性和多任務。實時是指系統的響應時間必須在規定的時間內，超出這個時間限制將會使系統出現致命的錯誤；同時，實時性還要求對時間要求非常急迫的任務要先于對時間不是很緊急的任務執行。正是由于這2個原因，RTOS的進程調度普遍采用的是基于優先級的可搶占式PBP（Priority Based Preemptive）的調度策略。多任務是嵌入式系統的內在要求。如今的嵌入式系統普遍要求具有多任務并發執行的能力，因此RTOS中也必須提供多任務并發執行的支持。由于多任務并發，必然會導致多個任務共享資源。如有2個任務task1和task2并發執行，都需要向打印機輸出結果。由于只有1臺打印機，所以在某個時間段內只能有1個任務，如task1占有打印機并向打印機輸出，而這時另一個任務task2處于等待狀態。當task1輸出完畢后，task2由等待轉為就緒，當RTOS再次調度它時，方可占有打印機向打印機輸出。試想如果不采取這種方式，不對打印機這種共享資源加以控制，而讓task1和task2同時向打印機輸出，這時候打印機打印的結果誰也看不懂，是一堆亂七八糟的東西。因此，大多數的RTOS采用了一種稱作信號量（semaphore）的機制來實現對共享資源的管理。任何一個想使用臨界資源（如打印機等共享資源）的進程在進入臨界區（如task1或task2中訪問臨界資源的代碼）之前必須擁有使用臨界資源的信號量，否則不可以執行臨界區代碼。假設系統中有3個任務，分別為task1、task2和task3。task1的優先權高于task2，而task2的優先權高于task3。恰在此時task1和task2 因某種原因被阻塞，這時候系統調度task3執行。task3執行一段時間后，task1被喚醒。由于采取的是PBP的調度策略，因此task1搶占task3的CPU, task1執行。task1執行一段時間后要進入臨界區，但此時task3占有此臨界資源的信號量。因此task1被阻塞，處于等待狀態，等待task3釋放此信號量。經過這么一段時間后，task2此時此刻處于就緒狀態。因此系統調度task2執行。如果task3在task2的執行期間一直沒有能夠被調度執行的話，那task1和task3將一直等到task2執行完后才能執行，task1更要等到task3釋放它所把持的信號量才能執行；而這段時間完全有可能超出task1的Deadline，使得task1崩潰。當系統看到有高優先級的任務崩潰時候，系統認為此時有重大事故發生，為了挽救系統，看門狗電路起作用，系統可能被自動復位。從上面的分析可以看到，導致系統崩潰的原因是由于優先級高的任務task1要獲取被低優先級任務task2占有的臨界資源而被task2阻塞，而具有中優先級的任務task2搶占task3的CPU,從而導致task2先于task1執行。這時候系統便出現了優先級反轉的情況，如圖1所示。
3 優先級反轉的解決方法
目前解決優先級反轉有許多種方法。其中普遍使用的有2種方法：一種被稱作優先級繼承（priority inheritance）；另一種被稱作優先級極限（priority ceilings）。
在優先級繼承方案中，當高優先級任務在等待低優先級的任務占有的信號量時，讓低優先級任務繼承高優先級任務的優先級，即把低優先級任務的優先權提高到高優先級任務的優先級；當低優先級任務釋放高優先級任務等待的信號量時，立即把其優先權降低到原來的優先權。采用這種方法可以有效地解決上面所述的優先權反轉的問題。當高優先級任務task1想要進入臨界區時，由于低優先級任務task3占有這個臨界資源的信號量，導致task1被阻塞。這時候，系統把task3的優先權升到task1的優先權，此時優先權處于task1和task3之間的任務task2，即使處于就緒狀態也不可以被調度執行，因為此時task3的優先權已經高于task2，所以task3此時被調度執行。當task3釋放task1需要的信號量時，系統立即把task3的優先權降到原來的高度，來保證task1和task2正常有序執行。整個情況如圖2所示。目前，有許多RTOS是采用這種方法來防止優先級反轉的，如大家比較熟悉的業界有名的WindRiver公司的VXWORKS。
在優先權極限方案中，系統把每一個臨界資源與1個極限優先權相聯系。這個極限優先權等于系統此時最高優先權加1。當1個任務進入臨界區時，系統便把這個極限優先權傳遞給這個任務，使得這個任務的優先權最高；當這個任務退出臨界區后，系統立即把它的優先權恢復正常，從而保證系統不會出現優先權反轉的情況。如上例中，當task3進入臨界區時，立即把它的優先權升高到極限優先權，保證task3此時能盡快退出臨界區，進而釋放其占有的信號量。當高優先級任務task1執行的時候就不會出現其等待低優先級任務task3釋放信號量而被阻塞的情況，從而保證不會出現上面所說的優先級反轉。采用這種方案的另一個有利之處，是僅僅通過改變某個臨界資源的優先級就可以使多個任務共享這個臨界資源，如下所示。
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