Small RTOS51中消息隊(duì)列的一處隱患

引 言
    Small RTOS5l是一款專門為80C5l系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(實(shí)際上應(yīng)該稱其為實(shí)時(shí)內(nèi)核)，大部分代碼用C語言編寫，易于移植，十分適合于資源緊張的8位機(jī)。同時(shí)，它也是學(xué)習(xí)嵌入式操作系統(tǒng)原理極好的入門材料。本人就是在學(xué)習(xí)完SmallRTOS5l的基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)了著名的uC／0S-II，受益頗多。 


1 問題描述
    在將Smau RTOS51應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室某項(xiàng)目時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的問題。簡單說來，就是一個(gè)以無條件方式申請(qǐng)消息的任務(wù)竟然在沒有取到消息的情況下，以指示“等待超時(shí)”的代碼返回了。
    在這里，首先解釋一下任務(wù)申請(qǐng)消息的兩種方式：無條件方式和超時(shí)方式。所謂五條件方式是指任務(wù)申請(qǐng)消息時(shí)，如果暫時(shí)沒有消息可取，則任務(wù)將一直等待消息，直至取到為止；而超時(shí)方式是指任務(wù)等待消息是有時(shí)間限制的，超過所設(shè)定的最大時(shí)間，即便沒有取到消息，函數(shù)也可以正常返回，只是返回值不是消息，而是“超時(shí)代碼”(此方式可以防止任務(wù)因取不到消息而被永久性掛起)?？梢?，如果任務(wù)以無條件方式申請(qǐng)消息，那么函數(shù)若能夠返回，則說明任務(wù)一定是取到消息了，而返回值又怎么可能是“等待超時(shí)”呢?經(jīng)過仔細(xì)分析SmallRTS5l的源代碼，找到了問題產(chǎn)生的根源。
    假定有任務(wù)IDX以超時(shí)方式調(diào)用OSQPend()函數(shù)申請(qǐng)消息。OSQPend()函數(shù)首先會(huì)把IDX放到此消息隊(duì)列的等待任務(wù)表中，然后再去判斷隊(duì)列中是否有消息。最佳情況是隊(duì)列中確實(shí)有消息，則OSQPend()再把IDX從此消息隊(duì)列的等待任務(wù)表中刪除，接著OSQPend()返回，任務(wù)取到消息。
    此刻，假定消息隊(duì)列中設(shè)有消息。那么，OSQPend()就會(huì)調(diào)用OSClearSigna1(OSRunningTaskID())和OS-Sched()這兩個(gè)系統(tǒng)函數(shù)，迫使IDX進(jìn)入休眠態(tài)，同時(shí)調(diào)度器調(diào)度下一個(gè)最高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)來運(yùn)行。假定任務(wù)IDY被選中，且IDY在運(yùn)行中通過調(diào)用OSQIntPost()函數(shù)向此消息隊(duì)列發(fā)送了一則消息。則OSIntPost（）將把所有等待這個(gè)消息隊(duì)列的任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的那個(gè)任
務(wù)喚醒，并且把它從該消息隊(duì)列的等待任務(wù)表中刪除，假定它就是IDX。
    當(dāng)任務(wù)IDY進(jìn)入休眠態(tài)后，操作系統(tǒng)才會(huì)調(diào)度IDX來運(yùn)行。于是IDX從上次被強(qiáng)迫休眠的地方開始運(yùn)行，即從OSQPend（）函數(shù)中緊接著OSSched（）的那條指令開始執(zhí)行。具體來說，OSQPend（）將首先查看IDX是否滿足超時(shí)條件（用來判斷任務(wù)是因?yàn)榈却瑫r(shí)被喚醒的還是因?yàn)榇_實(shí)取到消息而被喚醒的），若超時(shí)時(shí)限尚未到達(dá)，OSQPend（）再接著檢查消息隊(duì)列中是否已經(jīng)有了消息。根據(jù)上面的假定，可以知道任務(wù)IDX確實(shí)是因?yàn)槿〉较⒍粏拘训?。于是，OSQpend（）把IDX從此消息隊(duì)列的等待任務(wù)表中刪除，OSQPend（）正常返回。這樣，任務(wù)IDX取到消息，接著運(yùn)行。
    以上都沒有什么問題，但是，有一種情況被忽略了，而正是這種情況的出現(xiàn)導(dǎo)致了任務(wù)IDX被長時(shí)間掛起，就算隊(duì)列中有消息存在，IDX也無法被喚醒，只能等到其超時(shí)為止。
    為討論方便，不妨仍按上述假定情況來分析。當(dāng)任務(wù)IDX被喚醒且IDY進(jìn)入休眠狀態(tài)后，系統(tǒng)必將調(diào)度下一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)來運(yùn)行。在前面，認(rèn)為這個(gè)任務(wù)就是IDX，然而此時(shí)，假定它是另一個(gè)比IDX優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)IDZ(因?yàn)橛锌赡苁侵袛喟袸DZ喚醒的，所以中斷退出時(shí)，操作系統(tǒng)強(qiáng)制IDY進(jìn)入休眠態(tài)，轉(zhuǎn)而調(diào)度IDZ運(yùn)行）。非常巧合的是，IDZ在運(yùn)行的過程中向同一個(gè)消息隊(duì)列也申請(qǐng)了消息。由于之前IDY已經(jīng)向消息隊(duì)列發(fā)送過一條消息，則IDZ將正常取到此條消息。于是，消息隊(duì)列中的消息數(shù)減為O（Buf[0]==0）。在任務(wù)IDZ進(jìn)入休 眠后，任務(wù)IDX被操作系統(tǒng)調(diào)入CPU運(yùn)行。同樣，函數(shù)OSQPend（）首先查看IDX是否等待超時(shí)。如果沒有超時(shí)再檢查消息隊(duì)列中是否存在消息。注意到先前已經(jīng)假定消息被任務(wù)IDZ給取走了，所以檢查的結(jié)果當(dāng)然是隊(duì)列中不存在消息。IDX就只好再次進(jìn)入休眠，函數(shù)OSSched（）調(diào)度別的任務(wù)運(yùn)行。
    于是問題出現(xiàn)了。IDX是因?yàn)闀簳r(shí)取不到消息而被掛起的，但此時(shí)這個(gè)消息隊(duì)列的等待任務(wù)表中已經(jīng)投有IDX的蹤影了，它之前就已被那個(gè)發(fā)送消息的IDY在OSQIntPost()函數(shù)中給刪除了。
    結(jié)果，即使后面有任務(wù)再次向隊(duì)列中發(fā)送消息，IDX也取不到了，因?yàn)橄l(fā)送函數(shù)OSQIntPost()已經(jīng)無法從消息隊(duì)列的等待任務(wù)表中找到IDX了，它將被長時(shí)間掛起，直至超時(shí)。也就是說，任務(wù)IDX明明可以取到消息的，卻取不到，最后只能以指示其等待超時(shí)的代碼返回。
    這還是一種相對(duì)來說不太嚴(yán)重的錯(cuò)誤，無非就是任務(wù)沒取到消息，以超時(shí)返回而已．如果任務(wù)IDX以無條件方式申請(qǐng)消息，而又恰恰發(fā)生了上面的情況，會(huì)有什么樣的后果呢?由于OSQPend()函數(shù)自身的特性，所謂五條件等待就是把超時(shí)時(shí)間設(shè)為0。結(jié)果任務(wù)IDX被喚醒后，OSQPend()必然會(huì)檢測(cè)到其已超時(shí)，然后又會(huì)檢測(cè)到隊(duì)列中沒有消息，所以就必然以“超時(shí)代碼”返回。結(jié)果就發(fā)生了文章開頭所說的一幕；一個(gè)必須在取到消息后才能返回的任務(wù)，居然在沒有取到消息的情況下以指示其等待超時(shí)的代碼返回了。


2 解決方法
    問題已經(jīng)找到，就有解決的辦法．以《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)SmallRT0s5l原理與應(yīng)用》(陳明計(jì)，北京航空航天大學(xué)出版社，2004)中程序清單7.5為例。書中的代碼如下：
#if OS_MAX_TASKS<9              ／／把當(dāng)前任務(wù)加入到此消息隊(duì)
                                    ／／列的等待任務(wù)表中
    Buf[3]=OSMapTbl[OSRunnmgTasklD()]； (5)
#else
    if(OSRunningTasklD()<8){ (6)
    Buf[3]=OSMap Tbl[OSRunningTasklD()]； (7)
    else{
    Buf[4] |= OSMapTbl[OSRunningTasklD( ) &()x07]； (8)
    }
#endif
    while(Buf[O]==0) ／／消息隊(duì)列中暫時(shí)投有消息 (9)
    {
#ifdef_C51_
    SP=SP+sizeof(Buf)。 (10)
    *((uint8 0S_Q_MEM_SEL * data*)(SP+l-slzeof(Buf))=Buf; (11)
#endif{
    OSClearSignal(OSRunningTask())； ／／當(dāng)前任務(wù)進(jìn)入休眠
                                     ／／狀態(tài) (12)
    OSSched()； ／／調(diào)度下一個(gè)最高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)運(yùn)行(13)
#ifdef_C51_
    Buf= *((uint8 OS_Q_MEM SEL*dota*)(SP+1-sizeof(Buf))； (14)
    SP=SP-sizeof(Buf); (15)
#endif
    if(OSWaitTick[OSRunningTasklD()]==O)(16)
    {
    break； ／／任務(wù)再次運(yùn)行，如果超時(shí)到,退出循環(huán)
    }
    } ／／while(Buf[0]==O)
    修改的方法是把(5)~(8)放在(9)后面作為while()循環(huán)的第一步，其他不變。即只有在OSQPend()函數(shù)檢測(cè)到?jīng)]有消息可取的情況下，才把任務(wù)添加到對(duì)應(yīng)于此消息隊(duì)列的等待任務(wù)表中。一來，若隊(duì)列中已經(jīng)存在消息，這可以加快。SQPend()的執(zhí)行速度；二來，對(duì)于以超時(shí)方式申請(qǐng)消息的任務(wù)，不會(huì)發(fā)生如前所述的隊(duì)列申明明有消息，任務(wù)卻取不到，只能等待至超時(shí)為止的情況。即使IDZ搶先一步取走消息，只要尚未超時(shí)，IDX會(huì)再一次被OSQPend()添加到消息隊(duì)列的等待任務(wù)表中。這樣，以后運(yùn)行的OSQIntPost()函數(shù)就能夠知道IDX仍然在等待消息，從而使lDX有機(jī)會(huì)獲得消息。
    此法簡單易行，但對(duì)于以無條件方式申請(qǐng)消息的任務(wù)并不湊效。因?yàn)闊o條件等待時(shí)，任務(wù)被喚醒，其必然滿足超時(shí)條件。所以無論其能否取到消息，指令都會(huì)跳出while(Buf[0]==0)循環(huán)，結(jié)果就有可能返回讓人難以理解的超時(shí)代碼。這時(shí)，需應(yīng)用程序通過額外檢測(cè)OSQPend()的返回代碼類型來判斷任務(wù)是否真正取到消息。
    另一種方法是仿照uC／OS—II的思路(較復(fù)雜，不推薦)。在發(fā)送消息的OSQInatPost()函數(shù)中，如果檢測(cè)到有任務(wù)正在等待此消息，則并不把消息數(shù)(Buf[0])加l，其他部分不變。這樣，即使IDZ搶在IDX再次運(yùn)行前申請(qǐng)消息，也會(huì)因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)隊(duì)列中沒有消息而被迫進(jìn)入休眠．但對(duì)于正在函數(shù)OSQPCnd()中等待消息的任務(wù)IDX來說，當(dāng)它再次運(yùn)行時(shí)也會(huì)發(fā)現(xiàn)消息隊(duì)列中的消息數(shù)為O。這時(shí)，OSQPend()就需要另外檢測(cè)IDX是否仍然在等待任務(wù)表中來判斷任務(wù)到底能否取到消息。若任務(wù)還處在消息隊(duì)列的等待任務(wù)表中，則任務(wù)必定是由“超時(shí)”喚醒的，可直接返回超時(shí)代碼；否則，說明是有別的任務(wù)通過發(fā)送消息將其喚醒的，則可以取到消息。這樣，以無條件方式等待消息的任務(wù)也就不會(huì)返回指示其等待超時(shí)的代碼了。只是此方法也有一個(gè)BUG，那就是如果有任務(wù)搶在IDX取走此消息之前向隊(duì)列中又發(fā)送了另一個(gè)消息，則新入隊(duì)列的消息存放位置將會(huì)重疊前一條消息(uC／OS—II中不
存在此問題)。也就是說，首先進(jìn)入隊(duì)列的那條消息被覆蓋掉了，而誰也不知道它曾經(jīng)存在過。
    同樣的問題也會(huì)發(fā)生在互斥型信號(hào)量的操作中，感興趣的讀者可以參看相關(guān)代碼分析。


結(jié) 語
    需說明一點(diǎn)，以上分析僅僅針對(duì)Small RTOS51(V1.12.1)。在本文發(fā)表前，本人曾與《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Smell RTOS61原理與應(yīng)用》一書的作者陳明計(jì)先生就此問題通過E_mail進(jìn)行過討論。他指出：“V1.12.1的版本確實(shí)有此問題，但在V1.20的版本中不會(huì)（盡管代碼相似）”。只是筆者在看過V1.20版本后覺得，只有當(dāng)任務(wù)IDX優(yōu)先級(jí)較高時(shí)，才有可能不發(fā)生此類錯(cuò)誤，否則就很難保證了。不知廣大愛好者有何見解，希望能與您共同探討，請(qǐng)發(fā)E_mial到nt_chen@163.net或投稿到本刊。