【讨论】关于v4.0.4版本中解决的使用互斥量导致优先级反转的问题探讨

拼搏现实的明天。 2022-08-28 01:55 8阅读 0赞

本文由RT-Thread论坛用户@杰阿阿杰原创发布：https://club.rt-thread.org/ask/article/3111.html

# 关于RT-Thread v4.0.4 版本中解决的使用互斥量导致优先级反转的问题探讨 #

> 昨天晚上（2021.10.20），rtt 组织了一场线上发布会，展示了 v4.0.4 版本的一些新特性，以及修复的一些问题。其中，@满鉴霆 老师演讲中讲述的一个关于使用互斥量导致线程优先级反转问题，很有意思。

## 一、简单介绍互斥量 ##

互斥量是线程间同步的一种方式，又叫相互排斥的信号量，是一种特殊的二值信号量。互斥量类似于只有一个车位的停车场：当有一辆车进入的时候，将停车场大门锁住，其他车辆在外面等候。当里面的车出来时，将停车场大门打开，下一辆车才可以进入。（引用自 RTT 文档）

## 二、互斥量解决了什么问题 ##

### 2.1 线程优先级反转问题 ###

假设当前有三条线程，分别是 A、B、C，它们的优先级关系是 A > B > C，以及一个公用的内存空间 M。为了保证内存空间内数据的安全性，同一时间段内不能有超过一条线程进行操作。即当 C 正在读取 M 的数据时，A 或 B 不能对 M 做修改。

由于这样的规定，会造成优先级反转问题：

![61fa16d75610ca418c881a704571fa29.jpg.webp][]

1.  C 就绪，并获得了 M 的控制权
2.  A 就绪，优先级比 C 高，CPU 优先处理 A
3.  A 尝试获取 M 的控制权，因为 C 正在持有 M 的控制权，因此挂起等待；C 继续读取 M
4.  B 就绪，优先级比 C 高，CPU 优先处理 B
5.  B 任务执行完成并挂起，C 继续读取 M
6.  C 完成了读取 M 数据的操作，释放了 M 的控制权，轮到 A 对 M 进行修改

通过上面的流程，很明显，我们发现，虽然线程 B 的优先级比线程 A 低，但是却优先执行了，这不符合我们对系统实时性的要求。

### 2.2 互斥量的解决方法 ###

互斥量使用优先级继承协议，解决了上述的优先级反转问题：

![ad862ca851af7f05406b3d88d230b11a.jpg.webp][]

1.  C 就绪，并获得了 M 的控制权
2.  A 就绪，优先级比 C 高，CPU 优先处理 A
3.  A 尝试获取 M 的控制权，因为 C 正在持有 M 的控制权，因此挂起等待；依据优先级继承协议，线程 C 的优先级被提升到与 A 相等，即此时线程优先级关系是：A = C > B；C 继续读取 M
4.  C 完成了读取 M 数据的操作，释放了 M 的控制权，优先级被恢复原样，轮到 A 对 M 进行修改，唤醒 A
5.  A 任务执行完成并挂起；B 在3-4之间已就绪，当时因优先级比 C 低，所以无法得到执行，而此时优先级比 C 高，CPU 优先唤醒处理 B
6.  B 任务执行完成并挂起，C 继续完成任务

## 三、互斥量制造了什么问题 ##

### 3.1 错误地使用了 FIFO flag ###

当用户需要避免上述线程优先级反转问题时，就需要用到互斥量对线程做同步。互斥量由 IPC 容器管理，因此线程想要获取互斥量时，需要在 IPC 中排队等待。IPC 的排队方式有两种：

*  RT\_IPC\_FLAG\_FIFO：先进先出，队列按照先进先出方式排队
 *  RT\_IPC\_FLAG\_PRIO：优先级等待，队列将按照优先级进行排队，优先级高的等待线程将会插队排在优先级低的等待线程前

FIFO 属于非实时调度方式，所有排队等待的线程不再具有优先级的特性。然而，在创建/初始化（create/init）互斥量时，函数却允许用户使用 RT\_IPC\_FLAG\_FIFO 参数，这会导致如下情形：

![2832d07e4bdede3e851bb696ecd73a44.jpg.webp][]

1.  C 就绪，并获得了 M 的控制权
2.  B 就绪，优先级比 C 高，CPU 优先处理 B
3.  B 尝试获取 M 的控制权，因为 C 正在持有 M 的控制权，因此挂起等待；依据优先级继承协议，线程 C 的优先级被提升到与 B 相等，即此时线程优先级关系是：A > B = C，B 进入 FIFO 队列，并排在第一位；C 继续读取 M
4.  A 就绪，优先级比 C 高，CPU 优先处理 A
5.  A 尝试获取 M 的控制权，因为 C 正在持有 M 的控制权，因此挂起等待；依据优先级继承协议，线程 C 的优先级被提升到与 A 相等，即此时线程优先级关系是：A = C > B，A 进入 FIFO 队列，根据先进先出原则，排在第二位，B 后面；C 继续读取 M
6.  C 完成了读取 M 数据的操作，释放了 M 的控制权，优先级被恢复原样，根据 FIFO 队列，轮到 B 持有 M 的控制权，唤醒 B
7.  B 完成了读取 M 数据的操作，释放了 M 的控制权，优先级被恢复原样，根据 FIFO 队列，轮到 A 持有 M 的控制权，唤醒 A
8.  A 任务执行完成并挂起，B 继续任务
9.  B 任务执行完成并挂起，C 继续任务

由此我们发现，虽然 A 优先级比 B 高，但是由于 B 比 A 先进入 FIFO 队列，导致 B 比 A 优先得到 M 的控制权，并优先执行，这不符合我们使用互斥量的目的。

同时，由于 A 挂起等待互斥量，因此 B 释放互斥量之前，A 都不会被唤醒（除非超时）。这会使得其他优先级高于 B，低于 A 的线程都会优先于 A 执行。谁能忍？

### 3.2 正确的使用方式 ###

新版本已修复以上出现的优先级反转问题，在创建/初始化（create/init）互斥量时，忽略用户给出的排队方式（flag），只使用 RT\_IPC\_FLAG\_PRIO。

![c5a35e5cef2d41d0e65ff629fc33f257.jpg.webp][]

## 四、总结 ##

互斥量的诞生就是为了解决优先级反转的问题，但是错误地使用互斥量反而会让情况变得更糟糕。同时，这个 bug 相对隐蔽，不易被察觉，初学者（比如我）容易错误地使用，调试时也不容易复现。因此，修复此 bug 是很重要的。

## 五、结尾 ##

感谢 RTT 昨晚组织的特性解读会，的抽奖活动，让我终于中了一次奖哈哈哈！虽然是三等奖一条数据线，但这是我用这个抽奖小程序以来第一次中奖，真的很想吐槽那个抽奖小程序……

另外，解读会有回放（虽然我暂时不知道在哪）。

[61fa16d75610ca418c881a704571fa29.jpg.webp]: /images/20220828/c8e2424f9286471c9650cc3cec16a58e.png
[ad862ca851af7f05406b3d88d230b11a.jpg.webp]: /images/20220828/f1cd665aa0d2467ca4848013ced7e52f.png
[2832d07e4bdede3e851bb696ecd73a44.jpg.webp]: /images/20220828/3ef52abf18d84600b3ccfe43e8ac384c.png
[c5a35e5cef2d41d0e65ff629fc33f257.jpg.webp]: /images/20220828/48928751400c4080b2f68795c4269929.png