小熊派IoT開發板華為物聯網操作系統LiteOS內核實戰教程05-互斥鎖

1. LiteOS的互斥鎖

1.1. 互斥鎖

在多任務環境下，往往存在多個任務競爭同一共享資源的應用場景，互斥鎖可被用于對共享資源的保護從而實現獨占式訪問。互斥鎖(mutex)又稱互斥型信號量，是一種特殊的二值信號量，用于實現對共享資源的獨占式處理。另外，Huawei LiteOS提供的互斥鎖通過優先級繼承算法，解決了優先級翻轉問題。

1.2. 互斥鎖的使用方式

多任務環境下會存在多個任務訪問同一公共資源的場景，而有些公共資源是非共享的，需要任務進行獨占式處理。

互斥鎖怎樣來避免這種沖突呢？

在任意時刻，互斥鎖的狀態只有兩種：開鎖和閉鎖。

當有任務持有時，互斥鎖處于閉鎖狀態，這個任務獲得該互斥鎖的所有權。當該任務釋放它時，該互斥鎖被開鎖，任務失去該互斥鎖的所有權。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。

那么，當一個互斥鎖為加鎖狀態時，此時其他任務如果想訪問這個公共資源則會被阻塞，直到互斥鎖被持有該鎖的任務釋放后，其他任務才能重新訪問該公共資源，此時互斥鎖再次上鎖，如此確保同一時刻只有一個任務正在訪問這個公共資源，保證了公共資源操作的完整性。

1.3. 互斥鎖的使用場景

互斥鎖可以提供任務之間的互斥機制，用來防止兩個任務在同一時刻訪問相同的共享資源。

除此之外，互斥鎖還可以被用于防止多任務同步時造成優先級翻轉的問題。

2. 互斥鎖API

Huawei LiteOS 系統中的互斥鎖模塊為用戶提供創建/刪除互斥鎖、獲取/釋放互斥鎖的功能。

Huawei LiteOS 系統中提供的互斥鎖 API 都是以 LOS 開頭，但是這些 API 使用起來比較復雜，所以本文中我們使用 Huawei IoT Link SDK 提供的統一API接口進行實驗，這些接口底層已經使用 LiteOS 提供的API實現，對用戶而言更為簡潔，API列表如下：

osal的api接口聲明在中，使用相關的接口需要包含該頭文件，關于函數的詳細參數請參考該頭文件的聲明。

相關的接口定義在osal.c中，基于LiteOS的接口實現在 liteos_imp.c文件中：

2.1. osal_mutex_create

osal_mutex_create接口用于創建一個互斥鎖，其接口原型如下：

bool_t??osal_mutex_create(osal_mutex_t?*mutex){ ????bool_t?ret?=?false; ????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->mutex_create)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->mutex_create(mutex); ????} ????return?ret;}

該接口的參數說明如下表：

2.2. osal_mutex_del

osal_mutex_del接口用于刪除一個互斥鎖，其接口原型如下：

bool_t??osal_mutex_del(osal_mutex_t?mutex){ ????bool_t?ret?=?false; ????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->mutex_del)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->mutex_del(mutex); ????} ????return?ret;}

該接口的參數說明如下表：

2.3. osal_mutex_lock

osal_mutex_lock接口用于獲取一個互斥鎖，其接口原型如下：

bool_t??osal_mutex_lock(osal_mutex_t?mutex){ ????bool_t?ret?=?false; ????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->mutex_lock)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->mutex_lock(mutex); ????} ????return?ret;}

2.4. osal_mutex_unlock

osal_mutex_unlock接口用于釋放一個互斥鎖，如果有任務阻塞等待該互斥鎖，則喚醒最早被阻塞的任務，該任務進入就緒態，并進行調度。

其接口原型如下：

bool_t??osal_mutex_unlock(osal_mutex_t?mutex){ ????bool_t?ret?=?false; ????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->mutex_unlock)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->mutex_unlock(mutex); ????} ????return?ret;}

該接口的參數說明如下表：

3. 動手實驗 —— 使用互斥鎖進行資源保護

實驗內容

本實驗中將創建兩個任務，一個低優先級任務task1，一個高優先級任務task2，兩個任務之間依次對共享資源上鎖、操作、解鎖，在串口終端中觀察兩個任務的運行情況。

實驗代碼

首先打開上一篇使用的 HelloWorld 工程，基于此工程進行實驗。

在Demo文件夾右擊，新建文件夾osal_kernel_demo用于存放內核的實驗文件（如果已有請忽略這一步）。

接下來在此文件夾中新建一個實驗文件?osal_mutex_demo.c，開始編寫代碼：

/*?使用osal接口需要包含該頭文件?*/#include?/*?任務優先級宏定義（shell任務的優先級為10）?*/#define?USER_TASK1_PRI??12??//低優先級#define?USER_TASK2_PRI??11??//高優先級/*?共享資源?*/uint32_t?public_value?=?0;/*?互斥鎖索引ID?*/osal_mutex_t?public_value_mutex;/*?任務task1入口函數?*/static?int?user_task1_entry(){ ????while(1) ????{ ????????/*?嘗試獲取互斥鎖?*/ ????????if(true?==?osal_mutex_lock(public_value_mutex)) ????????{ ????????????/*?獲取到互斥鎖，對共享資源進行操作?*/ ????????????printf("\r\ntask1:?lock?a?mutex.\r\n"); ????????????public_value?+=?10; ????????????printf("task1:?public_value?=?%ld.\r\n",?public_value); ????????????/*?對共享資源操作完畢，釋放互斥鎖?*/ ????????????printf("task1:?unlock?a?mutex.\r\n\r\n"); ????????????osal_mutex_unlock(public_value_mutex); ????????????/*?滿足條件則結束任務?*/ ????????????if(public_value?>?100) ????????????????break; ????????} ????} ????/*?while(1)會執行結束，所以需要返回值?*/ ????return?0;}/*?任務task2入口函數?*/static?int?user_task2_entry(){ ????while?(1) ????{ ????????/*?嘗試獲取互斥鎖?*/ ???????if(true?==?osal_mutex_lock(public_value_mutex)) ????????{ ????????????/*?獲取到互斥鎖，對共享資源進行操作?*/ ????????????printf("\r\ntask2:?lock?a?mutex.\r\n"); ????????????public_value?+=?5;? ????????????printf("task2:?public_value?=?%ld.\r\n",?public_value); ????????????/*?對共享資源操作完畢，釋放互斥鎖?*/ ????????????printf("task2:?unlock?a?mutex.\r\n\r\n"); ????????????osal_mutex_unlock(public_value_mutex); ????????????/*?滿足條件則結束任務?*/ ????????????if(public_value?>?90) ????????????????break; ????????????/*?優先級較高，需要掛起一下，讓task1獲取到互斥鎖，否則task2再次上鎖，形成死鎖?*/ ????????????osal_task_sleep(10); ????????} ????} ????/*?while(1)會執行結束，所以需要返回值?*/ ????return?0;}/*?標準demo啟動函數，函數名不要修改，否則會影響下一步實驗?*/int?standard_app_demo_main(){ ????/*?創建互斥鎖public_value_mutex?*/ ????osal_mutex_create(&public_value_mutex); ????/*?創建任務task1?*/ ????osal_task_create("user_task1",user_task1_entry,NULL,0x400,NULL,USER_TASK1_PRI); ????/*?創建任務task2?*/ ????osal_task_create("user_task2",user_task2_entry,NULL,0x400,NULL,USER_TASK2_PRI); ????return?0;}

編寫完成之后，要將我們編寫的 osal_mutex_demo.c文件添加到makefile中，加入整個工程的編譯：

這里有個較為簡單的方法，直接修改Demo文件夾下的user_demo.mk配置文件，添加如下代碼：

#example?for?osal_mutex_demo ifeq?($(CONFIG_USER_DEMO),?"osal_mutex_demo")???? ????user_demo_src??=?${wildcard?$(TOP_DIR)/targets/STM32L431_BearPi/Demos/osal_kernel_demo/osal_mutex_demo.c} endif

添加位置如圖：

這段代碼的意思是：

如果 CONFIG_USER_DEMO 宏定義的值是osal_mutex_demo，則將osal_mutex_demo.c文件加入到makefile中進行編譯。

那么，如何配置 CONFIG_USER_DEMO 宏定義呢？在工程根目錄下的.sdkconfig文件中的末尾即可配置：

因為我們修改了mk配置文件，所以點擊重新編譯按鈕進行編譯，編譯完成后點擊下載按鈕燒錄程序。

實驗現象

程序燒錄之后，即可看到程序已經開始運行，在串口終端中可看到實驗的輸出內容：

**Link**main:V1.2.1?AT?11:30:59?ON?Nov?28?2019 WELCOME?TO?IOT_LINK?SHELL LiteOS:/> task2:?lock?a?mutex. task2:?public_value?=?5. task2:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?15. task1:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?25. task1:?unlock?a?mutex. task2:?lock?a?mutex. task2:?public_value?=?30. task2:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?40. task1:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?50. task1:?unlock?a?mutex. task2:?lock?a?mutex. task2:?public_value?=?55. task2:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?65. task1:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?75. task1:?unlock?a?mutex. task2:?lock?a?mutex. task2:?public_value?=?80. task2:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?90. task1:?unlock?a?mutex. task1:?lock?a?mutex. task1:?public_value?=?100. task1:?unlock?a?mutex. task2:?lock?a?mutex. task2:?public_value?=?105. task2:?unlock?a?mutex.

可以看到，系統啟動后，首先打印版本號，串口shell的優先級為10，最先打印shell信息，接下來task1先創建，但是優先級較低，所以后創建的task2搶占執行，task2獲取到互斥鎖，對共享資源進行操作，操作完畢解鎖，然后主動掛起，task1獲取到互斥鎖，對共享資源進行另一個操作，操作完畢解鎖，在task1操作的時候，task2早已掛起完畢，但是獲取不到互斥鎖，所以掛起等待，在task1解鎖后，堵塞的task2被喚醒開始執行。

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