嵌入式Linux實(shí)時(shí)技術(shù)改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)

4、spinlock轉(zhuǎn)換成mutex

spinlock是一個(gè)高效的共享資源同步機(jī)制，在SMP（對(duì)稱(chēng)多處理器Symmetric Multiple Proocessors）的情況下，它用于保護(hù)共享資源，如全局的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或一個(gè)只能獨(dú)占的硬件資源。但是spinlock保持期間將使搶占失效，用spinlock保護(hù)的區(qū)域稱(chēng)為臨界區(qū)（Critical Section），在內(nèi)核中大量地使用了spinlock，有大量的臨界區(qū)存在，因此它們將嚴(yán)重地影響著系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。為此使用mutex來(lái)替換spinlock，它的意圖是讓spinlock可搶占，但是可搶占后將產(chǎn)生很多后續(xù)影響。

Spinlock失效搶占的目的是避免死鎖。Spinlock如果可搶占了，一個(gè)spinlock的競(jìng)爭(zhēng)者將可能搶占該spinlock的保持者來(lái)運(yùn)行，但是由于得不到spinlock將自旋在那里，如果競(jìng)爭(zhēng)者的優(yōu)先級(jí)高于保持者的優(yōu)先級(jí)，將形成一種死鎖的局面，因?yàn)楸３终邿o(wú)法得到運(yùn)行而永遠(yuǎn)不能釋放spinlock，而競(jìng)爭(zhēng)者由于不能得到一個(gè)不可能釋放的spinlock而永遠(yuǎn)自旋在那里。

由于中斷處理函數(shù)也可以使用spinlock，如果它使用的spinlock已經(jīng)被一個(gè)進(jìn)程保持，中斷處理函數(shù)將無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，從而形成死鎖，這樣的spinlock在使用時(shí)應(yīng)當(dāng)中斷失效來(lái)避免這種死鎖的情況發(fā)生。標(biāo)準(zhǔn)linux內(nèi)核就是這么做的，中斷線程化之后，中斷失效就沒(méi)有必要，因?yàn)橛龅竭@種狀況后，中斷線程將掛在等待隊(duì)列上并放棄CPU讓別的線程或進(jìn)程來(lái)運(yùn)行。

等待隊(duì)列就是解決這種死鎖僵局的方法，讓每個(gè)spinlock都有一個(gè)等待隊(duì)列，該等待隊(duì)列是按進(jìn)程或線程的優(yōu)先級(jí)排隊(duì)的。如果一個(gè)進(jìn)程或線程競(jìng)爭(zhēng)的spinlock已經(jīng)被另一個(gè)線程保持，它將把自己掛在該spinlock的優(yōu)先級(jí)化的等待隊(duì)列上，然后發(fā)生調(diào)度把CPU讓給別的進(jìn)程或線程。

5、優(yōu)先級(jí)繼承和死鎖檢測(cè)

spinlock被mutex化后會(huì)產(chǎn)生優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)（Priority Inversion）現(xiàn)象。所謂優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)，就是優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程由于優(yōu)先級(jí)低的進(jìn)程保持了競(jìng)爭(zhēng)資源被迫等待，而讓中間優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程運(yùn)行，優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)將導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的搶占延遲增大，中間優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間的不確定性導(dǎo)致了高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程搶占延遲的不確定性，因此為了保證實(shí)時(shí)性，必須消除優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

優(yōu)先級(jí)繼承協(xié)議（Priority Inheritance Protocol）和優(yōu)先級(jí)頂棚協(xié)議（Priority Ceiling Protocol）就是專(zhuān)門(mén)針對(duì)優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)問(wèn)題提出的解決辦法。

所謂優(yōu)先級(jí)繼承，就是spinlock的保持者將繼承高優(yōu)先級(jí)的競(jìng)爭(zhēng)者進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，從而能先于中間優(yōu)先級(jí)進(jìn)程運(yùn)行，盡可能快地釋放鎖，這樣高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程就能很快得到競(jìng)爭(zhēng)的spinlock，使得搶占延遲更確定，更短。

所謂優(yōu)先級(jí)頂棚，就是根據(jù)靜態(tài)分析確定一個(gè)spinlock的可能擁有者的最高優(yōu)先級(jí)，然后把spinlock的優(yōu)先級(jí)頂棚設(shè)置為該確定的值，每次當(dāng)進(jìn)程獲得該spinlock后，就將該進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為spinlock的優(yōu)先級(jí)頂棚值。

Spinlock被mutex化后引入的另一個(gè)問(wèn)題就是死鎖，典型的死鎖有兩種：

一種為自鎖，即一個(gè)spinlock保持者試圖獲得它已經(jīng)保持的鎖，很顯然，這會(huì)導(dǎo)致該進(jìn)程無(wú)法運(yùn)行而死鎖。另一種為非順序鎖而導(dǎo)致的，即進(jìn)程P1已經(jīng)保持了spinlock LOCKA但是要獲得進(jìn)程P2已經(jīng)保持的spinlock LOCKB，而進(jìn)程P2要獲得進(jìn)程P1已經(jīng)保持的spinlock LOCKA，這樣進(jìn)程P1和P2都將因?yàn)樾枰玫綄?duì)方擁有的但永遠(yuǎn)不可能釋放的spinlock而死鎖。對(duì)這兩種情況都要進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)生這種死鎖，內(nèi)核將輸出死鎖執(zhí)行路徑并panic。

6、大內(nèi)核鎖可搶占

大內(nèi)核鎖（BKL---Big Kernel Lock）實(shí)質(zhì)上也是spinlock，只是它一般用于保護(hù)整個(gè)內(nèi)核，該鎖的保持時(shí)間比較長(zhǎng)，因此它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性影響是非常大的，大內(nèi)核鎖使用了semaphore來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果內(nèi)核配置為前面三種搶占模式，struct semaphore是架構(gòu)相關(guān)的，如對(duì)于x86，結(jié)構(gòu)定義如下：

struct semaphore {

atomic_t count;

int sleepers;

wait_queue_head_t wait;

};

但對(duì)于第四種搶占模式，其結(jié)構(gòu)為：

struct semaphore {

atomic_t count;

struct rt_mutex lock;

};

注意新的spinlock定義也包含字段struct rt_mutex lock，因此可搶占大內(nèi)核鎖和新的spinlock共用了低層的處理代碼。使用semaphore之后，大內(nèi)核鎖就可搶占了。

7、結(jié)論

Linux實(shí)時(shí)性能的逐步完善，必將大大促進(jìn)嵌入式Linux在工業(yè)控制、后PC時(shí)代信息電器等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，應(yīng)用的需要也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)大量新型實(shí)時(shí)算法的出現(xiàn)。通過(guò)對(duì)Linux的改動(dòng)，就可以開(kāi)發(fā)出一種可靠的且廉價(jià)的硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：通過(guò)改進(jìn)延遲，優(yōu)先級(jí)繼承并增加搶占機(jī)制，改善了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)打下了基礎(chǔ)。