本文將基于RT-Thread，結(jié)合 RT-Trace 調(diào)試器細(xì)化到實(shí)際任務(wù)調(diào)度的粒度，來調(diào)試并逐步講解“優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)”的調(diào)度和運(yùn)行邏輯。如果對(duì) RT-Trace 感興趣的可以看這篇文章：

國(guó)產(chǎn)嵌入式調(diào)試器之光？ RT-Trace 初體驗(yàn)!

廢話不多說，我們直接開始。本文基于 RT-Thread 來編寫測(cè)試代碼。在此之前我們先捋一下代碼流程：

優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題的本質(zhì)是高優(yōu)先級(jí)任務(wù)因等待低優(yōu)先級(jí)任務(wù)釋放資源而被阻塞，同時(shí)又有其他中優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占了 CPU，使得低優(yōu)先級(jí)任務(wù)得不到執(zhí)行機(jī)會(huì)，進(jìn)而導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間無法繼續(xù)運(yùn)行。

因此我們需要建立三個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，然后需要有一個(gè)資源鎖來模擬實(shí)際場(chǎng)景下對(duì)共享資源的獲取與釋放。一般在 RTOS 中我們會(huì)使用互斥鎖來對(duì)資源進(jìn)行上鎖，因此絕大多數(shù)的 RTOS 已經(jīng)為互斥鎖這個(gè)組件加入了優(yōu)先級(jí)繼承等應(yīng)對(duì)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題的功能，包括 RT-Thread（RTT 的互斥鎖還具備優(yōu)先級(jí)天花板功能），所以如果我們就是想觀察優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，直接使用互斥鎖是不行的。

幸運(yùn)的是，在 RT-Thread 中，還有一個(gè)線程間同步組件，其是不帶優(yōu)先級(jí)繼承等功能的，并且在我們目前的場(chǎng)景中也可以作為資源鎖來使用，這就是二值信號(hào)量。（特別注意，這邊使用二值信號(hào)量作為資源鎖只是用于觀察優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)這種異?，F(xiàn)象，并且也正是因?yàn)槠浯嬖谶@個(gè)問題，實(shí)際項(xiàng)目中并不推薦這么使用?。?/strong>

綜上，我們的測(cè)試代碼主體就是三個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，加上一個(gè)資源鎖。且我們要測(cè)試三種情況，分別是用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，用互斥鎖實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)繼承，在互斥鎖的基礎(chǔ)上通過設(shè)置天花板優(yōu)先級(jí)來實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)天花板機(jī)制，整體測(cè)試代碼如下：

#include"rtdef.h"#include"rttypes.h"#include#include#include#include#ifndefRT_USING_NANO#include#endif/* RT_USING_NANO *//* defined the LED0 pin: PB1 */#defineTHREAD_PRIORITY 10#defineUSE_MUTEX 0#defineUSE_PRIORITY_CEILING 0#ifUSE_MUTEXrt_mutex_tmutex;#elsert_sem_tsem;#endifstaticvoidworking(uint32_tnms){ for(volatileuint32_ti =0; i < nms; i++) {? ? ? ? for?(volatileuint32_t?j =?0; j

以上代碼動(dòng)態(tài)創(chuàng)建了三個(gè)任務(wù)：th、tm和tl，分別對(duì)應(yīng)高優(yōu)先級(jí)（9），中優(yōu)先級(jí)（10）和低優(yōu)先級(jí)（11），在 RT-Thread 中優(yōu)先級(jí)數(shù)字越小越高。同時(shí)還基于條件編譯定義了一個(gè)資源鎖，當(dāng)USE_MUTEX為0時(shí)使用信號(hào)量作為鎖，用于制造優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，為1且USE_PRIORITY_CEILING為0時(shí)使用互斥鎖實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)繼承，USE_MUTEX以及USE_PRIORITY_CEILING都為1時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)天花板策略。

working 函數(shù)本質(zhì)上是制造一段時(shí)間的延遲用于模擬任務(wù)的工作流程，此處沒有使用 rt_thread_mdelay 延時(shí)的原因是 rt_thread_mdelay 會(huì)造成任務(wù)本身主動(dòng)讓出，從而無法實(shí)現(xiàn)真實(shí)情況下高優(yōu)先級(jí)在低優(yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行中的搶占過程。

th 任務(wù)首先使用 rt_thread_mdelay 延遲主動(dòng)讓出使得低優(yōu)先級(jí)任務(wù)能夠先運(yùn)行從而獲取到資源，緊接著嘗試獲取資源，獲取到后使用 working 函數(shù)模擬對(duì)資源進(jìn)行的操作，最后釋放資源。

tm 任務(wù)首先使用 rt_thread_mdelay 延遲主動(dòng)讓出使得高優(yōu)先級(jí)任務(wù)能夠有時(shí)間運(yùn)行到嘗試獲取資源并阻塞，從而能夠成功制造出中優(yōu)先級(jí)對(duì)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的搶占。緊接著使用working函數(shù)模擬其運(yùn)行。注意，該任務(wù)中沒有任何對(duì)資源的操作，也不會(huì)獲取與釋放鎖。

tl 任務(wù)開始運(yùn)行后立馬嘗試獲取資源，進(jìn)而使用working函數(shù)模擬對(duì)資源進(jìn)行的操作，接著釋放資源，最后再次使用working函數(shù)模擬該任務(wù)的其他操作。

在開啟了優(yōu)先級(jí)天花板機(jī)制的情況下，互斥鎖創(chuàng)建后會(huì)使用 rt_mutex_setprioceiling 為其設(shè)置一個(gè)天花板優(yōu)先級(jí)，在這里也就是 THREAD_PRIORITY - 2，雖然我們所有任務(wù)的最高優(yōu)先級(jí)為 THREAD_PRIORITY - 1，由于 RT-Thread 存在時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度功能，同優(yōu)先級(jí)任務(wù)在時(shí)間片用完之后也能互相搶占。此處也可以設(shè)置一個(gè)比較大的時(shí)間片來臨時(shí)防止搶占，我這里就直接將該優(yōu)先級(jí)設(shè)置為更高一級(jí)，從根本上避免搶占的發(fā)生。

OK，所有功能點(diǎn)都講解完成，接下來我們就借助 RT-Trace 的運(yùn)行跟蹤功能，進(jìn)入 CPU 視角，來看看底層的真實(shí)運(yùn)行情況。

首先是使用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)場(chǎng)景，我們重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)任務(wù)之間的運(yùn)行，屏蔽掉中斷，空閑線程等其他信息：

可以看到 tl 在開始運(yùn)行了一段時(shí)間后 th 發(fā)生了搶占并嘗試獲取資源，但由于當(dāng)前資源被 tl 持有，于是 th 立馬阻塞讓出了 CPU 等待 tl 釋放資源：

然而還沒等 tl 釋放資源，中等優(yōu)先級(jí)的 tm 就搶占了 tl 的運(yùn)行，此時(shí) th 雖有著最高優(yōu)先級(jí)，但也只能眼睜睜等著 tm 執(zhí)行完，因?yàn)橐?tl 釋放資源它才能運(yùn)行，但 tl 優(yōu)先級(jí)沒有 tm 高，當(dāng)前情況下 tm 不運(yùn)行完， tl 根本不會(huì)運(yùn)行：

等 tm 終于運(yùn)行完了，把 CPU 給到 tl，并且 tl 釋放了資源后，本應(yīng)是最高優(yōu)先級(jí)的 th 才得以運(yùn)行：

由于低優(yōu)先級(jí)任務(wù)持有了高優(yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行所需的共享資源，從而導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)任務(wù)不可避免地進(jìn)入等待，而當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，任務(wù)較多時(shí)，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)又特別容易被其他中優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占，最終導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被無限延后，直至所有搶占的任務(wù)運(yùn)行完并且低優(yōu)先級(jí)任務(wù)釋放資源才得以運(yùn)行，而這個(gè)過程需要等待多久是未知且不可控的。在很多工業(yè)、醫(yī)療、軍事領(lǐng)域中，一個(gè)任務(wù)之所以要定義為高優(yōu)先級(jí)，就是需要其盡快執(zhí)行，并且運(yùn)行周期嚴(yán)格可控，否則很有可能造成不可挽回的后果，如果這個(gè)過程中遇到優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，那系統(tǒng)異常甚至崩潰幾乎是必然的！

現(xiàn)在我們將 USE_MUTEX 置 1 來使用帶有優(yōu)先級(jí)繼承功能的互斥鎖，此時(shí)的任務(wù)調(diào)度過程如下：

很明顯，此時(shí)中優(yōu)先級(jí)任務(wù)沒有能搶占低優(yōu)先級(jí)任務(wù)在共享資源處理階段的運(yùn)行，雖然高優(yōu)先級(jí)任務(wù)第一次嘗試獲取資源會(huì)失敗，但這個(gè)過程也臨時(shí)抬升了tl的優(yōu)先級(jí)：

而后 tl 得以不被中優(yōu)先級(jí)的 tm 打斷，一路運(yùn)行到釋放資源，緊接著 th 獲取資源執(zhí)行，而 tm 自然是等到 th 運(yùn)行完后才能運(yùn)行。很明顯，優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)帶來的影響在這種機(jī)制下得到大幅緩解，但這里仍然有一個(gè)小瑕疵：

在 tl 對(duì)共享資源進(jìn)行處理的過程中，仍然發(fā)生了一次搶占，這期間還會(huì)動(dòng)態(tài)修改任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，稍許拉長(zhǎng)了tl 對(duì)資源的處理時(shí)間。如果頻繁操作資源，那么這對(duì)系統(tǒng)調(diào)度來說也是消耗比較大的。如果想要保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)能夠盡快執(zhí)行，那么這一段操作一定是要去除的。如何去除？這就引出了下面這個(gè)機(jī)制。

我們?cè)賹?USE_PRIORITY_CEILING 置 1 打開優(yōu)先級(jí)天花板，注意優(yōu)先級(jí)天花板的值是預(yù)設(shè)且靜態(tài)的，所以我們?cè)谑褂眠@個(gè)特性的時(shí)候需要提前設(shè)置好值：

rt_mutex_setprioceiling(mutex, THREAD_PRIORITY -2);

這個(gè)值一般會(huì)設(shè)置成使用資源中所有任務(wù)的最高優(yōu)先級(jí)，當(dāng)然文章開頭也講過由于 RT-Thread 相同優(yōu)先級(jí)可以通過輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制相互搶占，我這邊為了避免這種情況，所以設(shè)置為最高任務(wù)優(yōu)先級(jí)的更高一級(jí)。

我們來看下加入了優(yōu)先級(jí)天花板后任務(wù)的調(diào)度情況：

乍一看好像與優(yōu)先級(jí)繼承的調(diào)度情況沒有區(qū)別，接下來我將 tl 操作共享資源的時(shí)間軸放大：

對(duì)比優(yōu)先級(jí)繼承機(jī)制下的這部分：

可以看到中間 th 對(duì) tl 的搶占過程消失了！

正是由于我們?cè)O(shè)置了天花板優(yōu)先級(jí)，tl 在獲取資源的那一刻就將其優(yōu)先級(jí)提升到了天花板，因此在這過程中即使是高優(yōu)先級(jí)的 th 也無法對(duì)其進(jìn)行搶占，真正做到了最快的資源處理速度，自然 th 在這種情況下也得到了最快的響應(yīng)運(yùn)行速度。

通過上述內(nèi)容，相信大家已經(jīng)對(duì)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，優(yōu)先級(jí)繼承以及優(yōu)先級(jí)天花板有了非常直觀的理解，在實(shí)際的項(xiàng)目中也能夠按照實(shí)際需求去選擇合適的機(jī)制。

最后提一點(diǎn)，以上兩種方式都是緩解優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)帶來的影響，并不能解決，因?yàn)榈蛢?yōu)先級(jí)任務(wù)獲取到資源后高優(yōu)先級(jí)任務(wù)不可避免地要等待，否則就會(huì)造成更為致命的數(shù)據(jù)同步問題，上述解決方案都只是盡可能讓低優(yōu)先級(jí)任務(wù)更快速地處理完釋放資源從而讓高優(yōu)先級(jí)任務(wù)及時(shí)獲取。如果你的系統(tǒng)就不能接受這種情況，那么或許你要從程序設(shè)計(jì)角度，根本上去避免低優(yōu)先級(jí)任務(wù)與高優(yōu)先級(jí)任務(wù)共享資源，或是通過精密的設(shè)計(jì)規(guī)避高優(yōu)先級(jí)任務(wù)想要獲取資源時(shí)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)正在處理資源的情況。