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一文带你剖析LiteOS互斥锁Mutex源代码

  • lxd01
  • 7
  • 2021-04-12 11:02
摘要:多任务环境下会存在多个任务访问同一公共资源的场景,而有些公共资源是非共享的临界资源,只能被独占使用。LiteOS使用互斥锁来避免这种冲突,互斥锁是一种特殊的二值性信号量,用于实现对临界资源的独占式处理。

本文分享自华为云社区《LiteOS内核源码分析系列七 互斥锁Mutex》,原文作者:zhushy。

多任务环境下会存在多个任务访问同一公共资源的场景,而有些公共资源是非共享的临界资源,只能被独占使用。LiteOS使用互斥锁来避免这种冲突,互斥锁是一种特殊的二值性信号量,用于实现对临界资源的独占式处理。另外,互斥锁可以解决信号量存在的优先级翻转问题。用互斥锁处理临界资源的同步访问时,如果有任务访问该资源,则互斥锁为加锁状态。此时其他任务如果想访问这个临界资源则会被阻塞,直到互斥锁被持有该锁的任务释放后,其他任务才能重新访问该公共资源,此时互斥锁再次上锁,如此确保同一时刻只有一个任务正在访问这个临界资源,保证了临界资源操作的完整性。

本文我们来一起学习下LiteOS互斥锁模块的源代码,文中所涉及的源代码, 均可以在LiteOS开源站点https://gitee.com/LiteOS/LiteOS 获取。互斥锁源代码、开发文档,示例程序代码如下:

  • LiteOS内核互斥锁源代码

包括互斥锁的私有头文件kernel\base\include\los_mux_pri.h、头文件kernel\include\los_mux.h、C源代码文件kernel\base\los_mux.c。

  • 开发指南文档–互斥锁

在线文档https://gitee.com/LiteOS/LiteOS/blob/master/doc/LiteOS_Kernel_Developer_Guide.md#%E4%BA%92%E6%96%A5%E9%94%81

接下来,我们看下互斥锁的结构体,互斥锁初始化,互斥锁常用操作的源代码。

1、互斥锁结构体定义和常用宏定义

1.1 互斥锁结构体定义

在文件kernel\base\include\los_mux_pri.h定义的互斥锁控制块结构体有2个,MuxBaseCB和LosMuxCB,前者和后者的前三个成员一样,可以和pthread_mutex_t共享内核互斥锁机制。结构体源代码如下,结构体成员的解释见注释部分。

1.2 互斥锁常用宏定义

系统支持创建多少互斥锁是根据开发板情况使用宏LOSCFG_BASE_IPC_MUX_LIMIT定义的,互斥锁Id是UINT32类型的,由2部分组成:count和muxId,分别处于高16位和低16位。创建互斥锁,使用后删除时,互斥锁回收到互斥锁池时,互斥锁Id的高16位即count值会加1,这样可以用来表示该互斥锁被创建删除的次数。muxId取值为[0,LOSCFG_BASE_IPC_MUX_LIMIT),表示互斥锁池中各个的互斥锁的编号。

⑴处的宏用来分割count和muxId的位数,⑵处互斥锁被删除时更新互斥锁Id,可以看出高16位为count和低16位为muxId。⑶处获取互斥锁Id的低16位。⑷根据互斥锁Id获取对应的互斥锁被创建删除的次数count。⑸处从互斥锁池中获取指定互斥锁Id对应的互斥锁控制块。

2、互斥锁初始化

互斥锁在内核中默认开启,用户可以通过宏LOSCFG_BASE_IPC_MUX进行关闭。开启互斥锁的情况下,在系统启动时,在kernel\init\los_init.c中调用OsMuxInit()进行互斥锁模块初始化。

下面,我们分析下互斥锁初始化的代码。

⑴初始化双向循环链表g_unusedMuxList,维护未使用的互斥锁。⑵为互斥锁申请内存,如果申请失败,则返回错误LOS_ERRNO_MUX_NO_MEMORY ⑶循环每一个互斥锁进行初始化,为每一个互斥锁节点指定索引muxId,owner为空,muxStat为未使用OS_MUX_UNUSED,并把互斥锁节点插入未使用互斥锁双向链表g_unusedMuxList。 ⑷如果开启了互斥锁调测开关,则调用函数UINT32 OsMuxDbgInit(VOID)进行初始化。

3、互斥锁常用操作

3.1 互斥锁创建

我们可以使用函数UINT32 LOS_MuxCreate(UINT32 *muxHandle)来创建互斥锁,下面通过分析源码看看如何创建互斥锁的。

⑴判断g_unusedMuxList是否为空,还有可以使用的互斥锁资源?如果没有可以使用的互斥锁,调用函数OsMutexCheckHook()判断是否有互斥锁溢出等错误,这个函数需要开启调测开关。⑵处如果g_unusedMuxList不为空,则获取第一个可用的互斥锁节点,接着从双向链表g_unusedMuxList中删除,然后调用LOS_DL_LIST_ENTRY(unusedMux, LosMuxCB, muxList)获取LosMuxCB *muxCreated,初始化创建的互斥锁信息,包含持有锁的次数、状态、持有者等信息。⑶初始化双向链表&muxCreated->muxList,阻塞在这个互斥上的任务会挂在这个链表上。⑷赋值给输出参数*muxHandle,后续程序使用这个互斥锁Id对互斥锁进行其他操作。⑸开启调测时,会调用函数OsMuxDbgUpdateHook()更新互斥锁的使用情况。

3.2 互斥锁删除

我们可以使用函数LOS_MuxDelete(UINT32 muxHandle)来删除互斥锁,下面通过分析源码看看如何删除互斥锁的。

⑴处判断互斥锁handleId是否超过LOSCFG_BASE_IPC_MUX_LIMIT,如果超过则返回错误码。⑵获取互斥锁控制块LosMuxCB *muxDeleted。⑶如果要删除的互斥锁Id有问题,或者要删除的互斥锁处于未使用状态,跳转到错误标签进行处理。⑷如果互斥锁的持有者数量不为空,不允许删除,跳转到错误标签进行处理。⑸把删除的互斥锁回收到未使用互斥锁双向链表g_unusedMuxList,然后更新为未使用状态,更新互斥锁Id。⑹开启调测时,会调用函数OsMuxDbgUpdateHook()更新互斥锁的使用情况。

3.3 互斥锁申请

我们可以使用函数UINT32 LOS_MuxPend(UINT32 muxHandle, UINT32 timeout)来请求互斥锁,需要的2个参数分别是互斥锁Id和等待时间timeout,单位Tick,取值范围为[0, LOS_WAIT_FOREVER]。

下面通过分析源码看看如何请求互斥锁的。

申请互斥锁时首先会进行互斥锁Id、参数的合法性校验,这些比较简单。⑴处代码判断申请互斥锁的是否系统任务,如果是系统任务输出警告信息。⑵如果互斥锁没有被持有,更新互斥锁的持有次数和持有者信息,完成互斥锁的申请。⑶处如果互斥锁的持有次数不为0,并且被当前任务持有,可以持有次数加1,再次嵌套持有,完成互斥锁的申请。⑷如果等待时间为0,申请失败返回。⑸如果当前锁任务调度,不允许申请互斥锁,打印回溯栈并返回错误码。

能运行到⑹处,表示互斥锁已被其他任务持有。在当前申请互斥锁的任务优先级高于持有互斥锁的任务优先级时,修改持有互斥锁的优先级为当前任务的优先级,持有锁的任务优先级备份到成员变量muxPended->owner->priBitMap。通过这样的修改,可以避免优先级翻转。⑺处的函数OsMuxPendOp()下文继续分析。

接下来继续分析函数OsMuxPendOp(),⑴处设置申请互斥锁的任务的结构体成员变量runTask->taskMux为申请的互斥锁。⑵处获取互斥锁的双向链表,阻塞在请求这个互斥锁的任务都挂在这个链表上,后文详细分析这个函数。⑶处把申请互斥锁的任务改为非就绪状态、阻塞状态,插入到互斥锁的阻塞任务列表里。如果是非永久等待互斥锁,还需要把任务加入超时排序链表里。⑷触发任务调度,后续程序暂时不再执行,需要等到可以获取互斥锁或者时间超时。

如果时间超时或者申请到互斥锁,系统重新调度到执行此任务,程序从⑸处继续执行。如果是时间超时,⑹处更新任务状态并返回码,申请互斥锁失败。⑺如果成功申请到互斥锁,并且超时时间不等于LOS_WAIT_FOREVER,需要判断是否恢复任务优先级。

接下来,分析下内部函数OsMuxPendFindPos()。LiteOS互斥锁支持2种等待模式,可以通过宏来配置:

  • LOSCFG_MUTEX_WAITMODE_PRIO

互斥锁基于任务优先级的等待模式,阻塞在互斥锁的任务里,谁的优先级高,在互斥锁释放时,谁先获取到互斥锁。

  • LOSCFG_MUTEX_WAITMODE_FIFO

互斥锁基于FIFO的等待模式,阻塞在互斥锁的任务里,谁先进入阻塞队列,在互斥锁释放时,谁先获取到互斥锁。

在开启宏LOSCFG_MUTEX_WAITMODE_FIFO,互斥锁基于FIFO的等待模式时,函数OsMuxPendFindPos()的源码比较简单,直接获取互斥锁的阻塞链表,在后续的OsTaskWait()函数里,会把任务挂在在获取的阻塞链表的尾部。代码如下:

我们再来看看开启宏LOSCFG_MUTEX_WAITMODE_PRIO,互斥锁基于任务优先级的等待模式时的函数的代码。⑴如果互斥锁的阻塞链表为空,直接返回链表即可。⑵阻塞链表不为空时,从链表中获取第一个和最后一个链表节点,分别为pendedTask1和pendedTask2。⑶如果阻塞链表第一个任务的优先级低于当前任务的优先级,链表中所有的任务的优先级都会低,返回互斥锁的阻塞链表的第一个节点接口。⑷如果阻塞链表的最后一个任务的优先级大于当前任务的优先级,返回互斥锁阻塞链表的头结点即可。⑸对于其他情况,需要调用函数OsMuxPendFindPosSub()进行处理。

继续分析下函数OsMuxPendFindPosSub()。⑴循环遍历互斥锁阻塞链表,⑵如果链表上任务优先级大于当前任务的优先级,则继续遍历。⑶如果链表上任务优先级小于当前任务的优先级,不需要继续遍历了,返回链表的当前节点。⑷如果优先级相等,返回链表的下一个节点。

3.4 互斥锁释放

我们可以使用函数UINT32 LOS_MuxPost(UINT32 muxHandle)来释放互斥锁,下面通过分析源码看看如何释放互斥锁的。

释放互斥锁时首先会进行互斥锁Id、参数的合法性校验,这些比较简单,自行阅读即可。⑴处如果要释放的互斥锁没有被持有、或者不是被当前任务持有,返回错误码。⑵互斥锁的持有数量减1,如果不为0,当前任务嵌套持有该互斥锁,不需要调度,返回释放互斥锁成功。如果释放一次后,当前任务不再持有互斥锁,则调用⑶处函数OsMuxPostOp(),判断是否有任务阻塞在该互斥锁,是否需要触发任务调度等,下文分析该函数。执行完毕⑶后,执行⑷,如果需要调度则触发任务调度。

我们继续分析函数OsMuxPostOp()。⑴处如果等到该互斥锁的任务列表为空,则标记没有任务持有该互斥锁,并返回不需要调度。⑵获取等待互斥锁的第一个任务resumedTask。如果开启宏LOSCFG_MUTEX_WAITMODE_PRIO,如果等待互斥锁的任务resumedTask的优先级比当前优先级低,需要恢复当前任务的优先级。如果当前任务优先级runTask->priBitMap不为0,会调用⑷处的OsMuxPostOpSub函数,稍后分析该函数。

⑸处把该互斥锁的持有数量设置为1,持有人设置为等待互斥锁的第一个任务resumedTask,resumedTask持有了互斥锁不再阻塞在该互斥锁resumedTask->taskMux = NULL。然后2个语句,属于调测特性的。⑹处调用OsTaskWake()函数,把resumedTask从互斥锁的阻塞链表中删除,从定时器排序链表中删除。更新任务状态,加入就绪队列,返回任务需要调度。

最后,我们分析函数OsMuxPostOpSub()。

⑴如果互斥锁上还有其他任务阻塞着,获取当前运行任务记录的优先级.priBitMap。⑵处循环遍历挂在互斥锁阻塞链表上的每一个任务,如果阻塞任务的优先级不等于bitMapPri,则执行⑶清理优先级位。⑷处恢复当前持有互斥锁的任务的优先级。

小结

本文带领大家一起剖析了LiteOS互斥锁模块的源代码,包含互斥锁的结构体、互斥锁池初始化、互斥锁创建删除、申请释放等。

 

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