【IoT美學】《物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)原理（LiteOS）》——任務同步

今天，我們分享的內(nèi)容主要是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)中的任務同步。

在正式閱讀博文之前，按慣例，我們需要思考幾個問題：

什么是任務同步？

什么是任務互斥？

同步和互斥的聯(lián)系是什么？

如果你認真的思考了上面的問題，那么請你閱讀下面的分享，也希望你能Get到屬于自己的盲點知識！

一、任務同步背景

1.存在的問題

a.全局資源的共享存在潛在風險

b.操作系統(tǒng)很難對任務進行最優(yōu)化分配

c.操作系統(tǒng)為多任務的同步和互斥提供了多種機制

互斥鎖

讀寫鎖

自旋鎖

事件標識

信號量

2.任務同步

系統(tǒng)中某任務需要在時間上相互合作，共同完成一項應用

3.任務互斥

A任務在L臨界區(qū)訪問共享資源時，其他任務不能進入L臨界區(qū)訪問任何共享資源

4.同步與互斥的聯(lián)系

同步是一種更為復雜的互斥

互斥是一種特殊的同步

二、臨界區(qū)問題

1.臨界資源

共享資源中，具有無法同時被多個任務訪問的特性，且一次只允許一個任務調(diào)用的資源

2.臨界區(qū)

訪問臨界資源的代碼段

3.同步機制準則

空閑讓進：臨界區(qū)空閑時，可以允許一個請求進入臨界區(qū)的進程立即進入臨界區(qū)

忙則等待：當已有進程進入臨界區(qū)時，其他試圖進入臨界區(qū)的進程必須等待

有限等待：對請求訪問的進程，因保證其在有限時間內(nèi)進入臨界區(qū)

讓權(quán)等待：當進程不能進入臨界區(qū)時，應立即釋放處理器，防止進程忙等待

三、同步方案

1.軟件同步方案

a.在代碼邏輯中控制對臨界區(qū)的訪問

b.實現(xiàn)方法

1).單標志法

缺陷：違背“空閑讓進”原則，造成資源利用的不充分

2).雙標志先檢查法

優(yōu)點：滿足“空閑讓進”原則

缺陷：違背“忙則等待”原則

3).雙標志后檢查法

優(yōu)點：滿足“忙則等待”原則

缺陷：違背“空閑讓進”、“有限等待”原則

4).Peterson算法

優(yōu)點：遵循“空閑讓進“、”忙則等待“、”有限等待“原則

缺陷：違背”讓權(quán)等待“原則

2.硬件同步方案

a.借用計算機提供的特殊硬件指令

b.實現(xiàn)方法

1).中斷屏蔽法

缺陷：限制中斷，使CPU失去交替執(zhí)行任務的能力，嚴重降低CPU執(zhí)行程序的效率

2).TestAndSet指令

可以將指定標志設(shè)置為真值

3).Swap指令

可以交換兩個標志的內(nèi)容

什么是信號量？

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)中為什么要用到信號量？

互斥鎖和信號量有關(guān)系嗎？

四、信號量

1.機械信號機制

2.實例：鐵路系統(tǒng)，鐵軌被多輛列車共用時，需要特殊裝置提供互斥機制。當軌道被使用時，該裝置通過關(guān)閉特殊裝置來阻止列車進入該軌道。反之，軌道未被使用時，則打開特殊裝置讓等待的列車繼續(xù)????????????????前進。

對比物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)

列車——任務

列車沿軌道行駛的過程——任務執(zhí)行的過程

共用的鐵軌——臨界資源

3.荷蘭? 計算機科學家E.W.Dijkstra??1959年提出信號量在軟件上實現(xiàn)互斥

4.分類

a.二進制信號量

Binary Semaphores

只能取0和1

b.計數(shù)型信號量

Counting Semaphores

取值由其制約機制的位數(shù)決定

5.信號量實現(xiàn)原理

通過計數(shù)機制實現(xiàn)任務之間的同步或臨界資源的互斥訪問

6.Huawei LiteOS中信號量的運作原理

usSemStat????????????????? /**是否使用標志位**/

uwSemCount???????????? /**信號量索引號**/

usMaxSemCount?????? /**信號量最大數(shù)**/

usSemID??????????????????? /**信號量當前計數(shù)**/

stSemList?????????????????? /**任務鏈表**/

注意：中斷申請信號量必須使用無阻塞模式

7.互斥鎖實現(xiàn)原理

a.互斥鎖又稱互斥信號量

b.一種特殊的二進制信號量，用于實現(xiàn)對共享資源的獨占式處理

c.互斥鎖狀態(tài)

開鎖（任務釋放互斥鎖）

閉鎖（任務持有互斥鎖）

d.當一個任務持有互斥鎖時，其他任務將不能再對該互斥鎖進行開鎖或持有

8.Huawei LiteOS中互斥鎖的運作原理

Huawei LiteOS互斥鎖申請模式

a.無阻塞模式

b.永久阻塞模式

c.定時阻塞模式

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)需要保證任務調(diào)度的實時性，盡量避免任務的長時間阻塞，在獲得互斥鎖后應盡快釋放互斥鎖

注意：互斥鎖不能在中斷服務程序中使用

9.優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題

當使用信號量控制共享資源的訪問時，可能會出現(xiàn)信號量被低優(yōu)先級占有的情況，造成高優(yōu)先級任務被低優(yōu)先級任務阻塞，難以保證實時性

10.優(yōu)先級繼承

為了解決優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題，而提出的優(yōu)化機制

低優(yōu)先級任務獲取共享資源時，臨時提升其優(yōu)先級，使其能更快的執(zhí)行并釋放資源，在釋放后恢復任務原先的優(yōu)先級

優(yōu)先級的提升幅度取決于等待該共享資源的最高優(yōu)先級任務的優(yōu)先級

基于你現(xiàn)有的知識定義事件和死鎖？

死鎖是否可以避免？如果可以避免，它的避免策略有哪些？

什么是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的原子操作？

五、事件

1.一種實現(xiàn)任務間通信的機制

2.事件通信只能是事件類型的通信，無數(shù)據(jù)傳輸

3.常用于實現(xiàn)任務之間的同步

4.事件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

a.以Huawei LiteOS為例的事件，僅用于任務之間的同步，不能提供數(shù)據(jù)傳輸功能

b.多次向任務發(fā)送同一事件類型時，等效于只發(fā)送一次

c.Huawei LiteOS的事件集合與任務不相關(guān)聯(lián)，任務可以通過創(chuàng)建事件控制塊來實現(xiàn)對事件的觸發(fā)和等待操作

5.事件讀取模式

所有事件（LOS_WAITMODE_AND）

任一事件（LOS_WAITMODE_OR）

清除事件（LOS_WAITMODE_CLR）

6.事件喚醒任務

a.邏輯或：只要等待中的任意事件發(fā)生，任務即會被喚醒并執(zhí)行

b.邏輯與：只有當所有等待的特定事件都發(fā)生后，任務才會被喚醒并繼續(xù)執(zhí)行

c.等待事件通過讀事件函數(shù)實現(xiàn)，事件發(fā)生通過寫事件函數(shù)實現(xiàn)

六、死鎖

1.多任務環(huán)境中，錯誤處理任務同步可能會導致死鎖

2.死鎖原理

a.定義：一組相互競爭系統(tǒng)資源或進行通信間”永久“阻塞

b.產(chǎn)生死鎖的4個必要條件

互斥條件：一次只有一個任務可以使用一個資源，其他任務不能訪問已分配的資源

請求和保持條件：當一個任務繼續(xù)等待其他任務時，繼續(xù)占有已經(jīng)分配的資源

不可搶占條件：不能強行搶占任務已占有的資源

循環(huán)等待條件：存在一個封閉的任務鏈，使得每個任務都在等待任務鏈中的其他任務

3.死鎖預防

a.設(shè)計一種系統(tǒng)來排除發(fā)生死鎖的可能性

b.分類

間接的死鎖預防：防止前面列出的前3個必要條件中任何一個的發(fā)生

直接的死鎖預防：防止循環(huán)等待的發(fā)生

c.破壞互斥條件

d.破壞請求和保持條件

e.破壞不可搶占條件

f.破壞循壞等待條件

4.死鎖避免

在資源動態(tài)分配的過程中，防止系統(tǒng)進入不安全的狀態(tài)，以避免發(fā)生死鎖

安全狀態(tài)：指系統(tǒng)能按某種任務推進順序為每個任務分配其所需資源

銀行家算法（最著名的死鎖避免算法）

5.死鎖檢測

a.優(yōu)勢

盡早的檢測死鎖情況

算法相對比較簡單

b.死鎖解除的主要方法

資源剝奪法：掛起某些死鎖任務，并搶占它的資源

撤銷任務法：強制撤銷部分甚至全部死鎖任務并剝奪這些任務的資源

任務回退法：讓一個或多個任務回退到足以回避死鎖的地步，任務回退時自愿釋放資源而不是被剝奪

七、原子操作

1.原子操作能確保對同一組數(shù)據(jù)的的”讀取—修改—寫入“操作在執(zhí)行期間不被打斷

2.物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)可以通過對ARMv6架構(gòu)中的LDREX和STREX指令進行封裝實現(xiàn)原子操作接口

輕量級操作系統(tǒng) LiteOS IoT

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