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

在RTOS開發(fā)中，優(yōu)先級(jí)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(jí)翻轉(zhuǎn)

所謂的優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問題：即當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)線程通過信號(hào)量機(jī)制訪問共享資源時(shí)，該型號(hào)量以被一個(gè)低優(yōu)先級(jí)線程占有，而這個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在訪問共享資源時(shí)可能又被一個(gè)中等優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占。從上面的描述，高優(yōu)先級(jí)線程被許多較低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)阻塞，導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)性得不到保證。

舉例：有三個(gè)線程分別為：A、B、C。優(yōu)先級(jí)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(yùn)行，此時(shí)任務(wù)C開始使用共享資源Source。在使用Source時(shí)，線程A等待事件到來，線程A轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，因?yàn)榫€程A優(yōu)先級(jí)比線程C高，所以線程A會(huì)立即執(zhí)行。當(dāng)線程A要使用共享資源Source時(shí)，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(yùn)行。如果此時(shí)中等優(yōu)先級(jí)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(jí)比線程C高，因此線程B開始運(yùn)行，直到其運(yùn)行完畢，線程C才開始運(yùn)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(jí)發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，線程B先于線程A運(yùn)行。

如何解決優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)

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

優(yōu)先級(jí)天花板優(yōu)先級(jí)天花板是當(dāng)線程申請(qǐng)某資源時(shí)，把該線程的優(yōu)先級(jí)提升到可訪問這個(gè)資源的所有線程中的最高優(yōu)先級(jí)，這個(gè)優(yōu)先級(jí)稱為該資源的優(yōu)先級(jí)天花板。這種方法簡(jiǎn)單易行，不必進(jìn)行復(fù)雜的判斷，不管線程是否阻塞了高優(yōu)先級(jí)線程的運(yùn)行， 只要線程訪問共享資源都會(huì)提升線程的優(yōu)先級(jí)。

優(yōu)先級(jí)繼承優(yōu)先級(jí)繼承是當(dāng)線程A申請(qǐng)共享資源Source時(shí)，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(jí)，如發(fā)現(xiàn)線程C的優(yōu)先級(jí)小于自身的優(yōu)先級(jí)， 則將線程C的優(yōu)先級(jí)提升到自身的優(yōu)先級(jí)，線程C釋放資源Source后，再恢復(fù)線程C的原優(yōu)先級(jí)。這種方法只在占有資源的低優(yōu)先級(jí)線程阻塞了高優(yōu)先級(jí)線程時(shí)才動(dòng)態(tài)的改變線程的優(yōu)先級(jí)。

RT-Thread是如何解決線程優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)呢？

在官方的文檔中，對(duì)線程優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)有相對(duì)應(yīng)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(hào)量會(huì)導(dǎo)致的另一個(gè)潛在問題是線程優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問題。所謂優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)，即當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)線程試圖通過信號(hào)量機(jī)制訪問共享資源時(shí)，如果該信號(hào)量已被一低優(yōu)先級(jí)線程持有，而這個(gè)低優(yōu)先級(jí)線程在運(yùn)行過程中可能又被其它一些中等優(yōu)先級(jí)的線程搶占，因此造成高優(yōu)先級(jí)線程被許多具有較低優(yōu)先級(jí)的線程阻塞，實(shí)時(shí)性難以得到保證。如下圖所示：有優(yōu)先級(jí)為 A、B 和 C 的三個(gè)線程，優(yōu)先級(jí) 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(yùn)行，此時(shí)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?yàn)樗染€程 C 優(yōu)先級(jí)高，所以立即執(zhí)行。但是當(dāng)線程 A 要使用共享資源 M 時(shí)，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(yùn)行。如果此時(shí)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(jí)比線程 C 高，因此線程 B 開始運(yùn)行，直到其運(yùn)行完畢，線程 C 才開始運(yùn)行。只有當(dāng)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(jí)發(fā)生了翻轉(zhuǎn)：線程 B 先于線程 A 運(yùn)行。這樣便不能保證高優(yōu)先級(jí)線程的響應(yīng)時(shí)間。

在 RT-Thread 操作系統(tǒng)中，互斥量可以解決優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問題，實(shí)現(xiàn)的是優(yōu)先級(jí)繼承算法。優(yōu)先級(jí)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(jí)提升到線程 A 的優(yōu)先級(jí)別，從而解決優(yōu)先級(jí)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(jí)繼承是指，提高某個(gè)占有某種資源的低優(yōu)先級(jí)線程的優(yōu)先級(jí)，使之與所有等待該資源的線程中優(yōu)先級(jí)最高的那個(gè)線程的優(yōu)先級(jí)相等，然后執(zhí)行，而當(dāng)這個(gè)低優(yōu)先級(jí)線程釋放該資源時(shí)，優(yōu)先級(jí)重新回到初始設(shè)定。因此，繼承優(yōu)先級(jí)的線程避免了系統(tǒng)資源被任何中間優(yōu)先級(jí)的線程搶占。

說明

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

優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)的危害：

任務(wù)調(diào)度時(shí)，時(shí)間不確定性，破壞實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)比優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)更先執(zhí)行，導(dǎo)致任務(wù)的錯(cuò)亂，邏輯的錯(cuò)亂。

原文標(biāo)題：線程優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)，如何避免？

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