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1 互斥量定义
1.1 概念介绍
1.2 线程优先级翻转问题
2 互斥量管理
2.1 结构体定义
2.2 函数接口介绍
2.2.1 rt_mutex_create函数
2.2.2 rt_mutex_delete 函数
2.2.3 初始化和脱离互斥量 概述
本文主要介绍互斥量的概念#xff0c;实现原理。还介绍RT-Thre…目录 概述
1 互斥量定义
1.1 概念介绍
1.2 线程优先级翻转问题
2 互斥量管理
2.1 结构体定义
2.2 函数接口介绍
2.2.1 rt_mutex_create函数
2.2.2 rt_mutex_delete 函数
2.2.3 初始化和脱离互斥量 概述
本文主要介绍互斥量的概念实现原理。还介绍RT-Thread中互斥量的相关接口。
1 互斥量定义
1.1 概念介绍
互斥量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。
互斥量和信号量不同的是拥有互斥量的线程拥有互斥量的所有权互斥量支持递归访问且能防止线程优先级翻转并且互斥量只能由持有线程释放而信号量则可以由任何线程释放。
互斥量的状态只有两种开锁或闭锁两种状态值。
当有线程持有它时互斥量处于闭锁状态由这个线程获得它的所有权。
相反当这个线程释放它时将对互斥量进行开锁失去它的所有权。
当一个线程持有互斥量时其他线程将不能够对它进行开锁或持有它持有该互斥量的线程也能够再次获得这个锁而不被挂起如下图时所示。这个特性与一般的二值信号量有很大的不同在信号量中因为已经不存在实例线程递归持有会发生主动挂起最终形成死锁。 1.2 线程优先级翻转问题
使用信号量会导致的另一个潜在问题是线程优先级翻转问题。
所谓优先级翻转即当一个高优先级线程试图通过信号量机制访问共享资源时如果该信号量已被一低优先级线程持有而这个低优先级线程在运行过程中可能又被其它一些中等优先级的线程抢占因此造成高优先级线程被许多具有较低优先级的线程阻塞实时性难以得到保证。
如下图所示有优先级为 A、B 和 C 的三个线程优先级 A B C。 step -1: 线程 AB 处于挂起状态等待某一事件触发线程 C 正在运行此时线程 C 开始使用某一共享资源 M。 step-2: 在使用过程中线程 A 等待的事件到来线程 A 转为就绪态因为它比线程 C 优先级高所以立即执行。 step-3: 但是当线程 A 要使用共享资源 M 时由于其正在被线程 C 使用因此线程 A 被挂起切换到线程 C 运行。 step-4: 如果此时线程 B 等待的事件到来则线程 B 转为就绪态。由于线程 B 的优先级比线程 C 高且线程B没有用到共享资源 M 因此线程 B 开始运行直到其运行完毕线程 C 才开始运行。 只有当线程 C 释放共享资源 M 后线程 A 才得以执行。在这种情况下优先级发生了翻转线程 B 先于线程 A 运行。这样便不能保证高优先级线程的响应时间。 在 RT-Thread 操作系统中互斥量可以解决优先级翻转问题实现的是优先级继承协议 (Sha, 1990)。优先级继承是通过在线程 A 尝试获取共享资源而被挂起的期间内将线程 C 的优先级提升到线程 A 的优先级别从而解决优先级翻转引起的问题。这样能够防止 C间接地防止 A被 B 抢占如下图所示。优先级继承是指提高某个占有某种资源的低优先级线程的优先级使之与所有等待该资源的线程中优先级最高的那个线程的优先级相等然后执行而当这个低优先级线程释放该资源时优先级重新回到初始设定。因此继承优先级的线程避免了系统资源被任何中间优先级的线程抢占。 2 互斥量管理
2.1 结构体定义
在 RT-Thread 中互斥量控制块是操作系统用于管理互斥量的一个数据结构由结构体 struct rt_mutex 表示。另外一种 C 表达方式 rt_mutex_t表示的是互斥量的句柄在 C 语言中的实现是指互斥量控制块的指针。互斥量控制块结构的详细定义请见以下代码
struct rt_mutex{struct rt_ipc_object parent; /* 继承自 ipc_object 类 */
rt_uint16_t value; /* 互斥量的值 */rt_uint8_t original_priority; /* 持有线程的原始优先级 */rt_uint8_t hold; /* 持有线程的持有次数 */struct rt_thread *owner; /* 当前拥有互斥量的线程 */};/* rt_mutext_t 为指向互斥量结构体的指针类型 */typedef struct rt_mutex* rt_mutex_t;
rt_mutex 对象从 rt_ipc_object 中派生由 IPC 容器所管理。 2.2 函数接口介绍
互斥量控制块中含有互斥相关的重要参数在互斥量功能的实现中起到重要的作用。互斥量相关接口如下图所示对一个互斥量的操作包含创建 / 初始化互斥量、获取互斥量、释放互斥量、删除 / 脱离互斥量。 2.2.1 rt_mutex_create函数
创建一个互斥量时内核首先创建一个互斥量控制块然后完成对该控制块的初始化工作。创建互斥量使用下面的函数接口
rt_mutex_t rt_mutex_create (const char* name, rt_uint8_t flag);
可以调用 rt_mutex_create 函数创建一个互斥量它的名字由 name 所指定。当调用这个函数时系统将先从对象管理器中分配一个 mutex 对象并初始化这个对象然后初始化父类 IPC 对象以及与 mutex 相关的部分。互斥量的 flag 标志已经作废无论用户选择 RT_IPC_FLAG_PRIO 还是 RT_IPC_FLAG_FIFO内核均按照 RT_IPC_FLAG_PRIO 处理。下表描述了该函数的输入参数与返回值
参数描述name互斥量的名称flag该标志已经作废无论用户选择 RT_IPC_FLAG_PRIO 还是 RT_IPC_FLAG_FIFO内核均按照 RT_IPC_FLAG_PRIO 处理返回——互斥量句柄创建成功RT_NULL创建失败
2.2.2 rt_mutex_delete 函数
当不再使用互斥量时通过删除互斥量以释放系统资源适用于动态创建的互斥量。删除互斥量使用下面的函数接口
rt_err_t rt_mutex_delete (rt_mutex_t mutex);
当删除一个互斥量时所有等待此互斥量的线程都将被唤醒等待线程获得的返回值是 - RT_ERROR。然后系统将该互斥量从内核对象管理器链表中删除并释放互斥量占用的内存空间。下表描述了该函数的输入参数与返回值
参数描述mutex互斥量对象的句柄返回——RT_EOK删除成功 2.2.3 初始化和脱离互斥量
静态互斥量对象的内存是在系统编译时由编译器分配的一般放于读写数据段或未初始化数据段中。在使用这类静态互斥量对象前需要先进行初始化。初始化互斥量使用下面的函数接口
rt_err_t rt_mutex_init (rt_mutex_t mutex, const char* name, rt_uint8_t flag);
使用该函数接口时需指定互斥量对象的句柄即指向互斥量控制块的指针互斥量名称以及互斥量标志。互斥量标志可用上面创建互斥量函数里提到的标志。下表描述了该函数的输入参数与返回值
参数描述mutex互斥量对象的句柄它由用户提供并指向互斥量对象的内存块name互斥量的名称flag该标志已经作废无论用户选择 RT_IPC_FLAG_PRIO 还是 RT_IPC_FLAG_FIFO内核均按照 RT_IPC_FLAG_PRIO 处理返回——RT_EOK初始化成功
脱离互斥量将把互斥量对象从内核对象管理器中脱离适用于静态初始化的互斥量。脱离互斥量使用下面的函数接口
rt_err_t rt_mutex_detach (rt_mutex_t mutex);
使用该函数接口后内核先唤醒所有挂在该互斥量上的线程线程的返回值是 -RT_ERROR然后系统将该互斥量从内核对象管理器中脱离。下表描述了该函数的输入参数与返回值
参数描述mutex互斥量对象的句柄返回——RT_EOK成功
