ucosIII_使用互斥信号量解决优先级反转问题

ucosIII_使用互斥信号量解决优先级反转问题。用于实现对临界资源的独占式处理，降低优先级反转带来的影响。

信号量的二值信号量可以作为一个标志flag，当两个任务访问同一个资源时，进行加锁解锁。如果当多个任务要访问同一个资源，使用二值信号量很容易带来优先级反转的问题，而这种问题，是操作系统极其不期望出现的问题（破坏任务的预期顺序，可能会导致严重的后果），所有引入互斥信号量解决优先级反转问题。

1.什么是优先级反转

假设有3个任务，优先级从高到底分别是任务H（high）M（middle）L（low）。

任务H和任务L使用互斥信号量访问同一临界资源，任务M不使用临界资源。

图1 任务HML发生优先级反转

图1(1):L任务正在使用某临界资源（信号加锁），H任务被唤醒，执行H任务。但L任务并未执行完毕，此时临界资源还未释放（互斥信号量还处于加锁状态，即使优先级更高的任务也无法访问这个临界资源）
图1(2):这个时刻H任务也要对该临界资源进行访问，但L任务还未释放资源，由于保护机制，H任务进入阻塞态，L任务得以继续运行，此时已经发生了优先级翻转现
图1(3):某个时刻M任务被唤醒，由于M任务的优先级高于工任务，M任务抢占了CPU的使用权，M任务开始运行，此时L任务尚未执行完，临界资源还没被释放
图1(4):M任务运行结束，归还CPU使用权，L任务继续运行。
图1(5):L任务运行结東，释放临界资源（信号解锁），H任务得以对资源进行访问，H任务开始运行。

说的通俗点就是，任务H和任务L都会访问一个临界资源区，通过互斥信号量加锁解锁没问题。任务H和任务L会互相等待对方加锁或解锁，这个也没问题。但是任务M优先级比任务L优先级高，本来任务H等着任务L解锁互斥信号量呢，结果CPU不去执行任务L，CPU被任务M抢了，任务H本来是想等任务L的信号呢，现在还要等任务M执行完，才能让任务L解锁信号量。那任务H可是最高优先级啊，任务H不能忍了。所有任务H把任务L的优先级提到和自己一般高（通过互斥信号量自动完成），这样任务M无法打断任务L了。等任务H获得了这个信号量，在把任务L的优先级调回原来的级别。

那到底什么是优先级反转呢？

我的理解：两个任务使用互斥信号量访问同一资源，由于其他任务抢占了其中某个任务的CPU使用时间，导致另一个任务不能及时接收或发送这个互斥信号量。使得一个任务等待互斥信号量的时间变长。

使用互斥信号量解决上面这个问题：

图2 使用互斥信号量解决优先级反转

图2(1):L任务正在使用某临界资源，L任务正在使用某临界资源，H任务被唤醒执行H任务。但L任务并未执行完毕，此时临界资源还未释放
图2(2):某一时刻任务也要对该资源进行访问，由于保护机制，H任务进入塞态。此时发生优先级继承，系统将L任务的优先级暂时提升到与H任务优先级相同，L任务继续执行
图2(3):在某一时刻M任务被唤醒，由于此时M任务的优先级暂时低于L任务，所以M任务仅在就绪态，而无法获得CPU使用权。
图2(4):L任务运行完毕，H任务获得对资源的访问权，H任务从阻塞态变成运行态，此时L任务的优先级会变回原来的优先级。
图2(5):当H任务运行完毕，M任务得到CPU使用权，开始执行
图2(6):系统正常运行，按照设定好的优先级运行

2.互斥信号量的API

文件os_mutex.c

2.1创建信号量

void  OSMutexCreate (OS_MUTEX  *p_mutex,
                     CPU_CHAR  *p_name,
                     OS_ERR    *p_err)

第一个参数是互斥信号量，我们要先定义一个

OS_MUTEX MyMutex; //定义一个互斥信号量

第二个参数是互斥信号量的名字

第三个参数是记录返回值的，用于保存错误信息

OS_ERR MutextErrRet//定义一个互斥信号量错误返回值

2.2发送互斥信号量

void  OSMutexPost (OS_MUTEX  *p_mutex,
                   OS_OPT     opt,
                   OS_ERR    *p_err)

第一个参数是互斥信号量

第二个参数默认模式和不使用调度

第三个参数是记录返回值，用于保存错误信息

2.3请求信号量

void  OSMutexPend (OS_MUTEX  *p_mutex,
                   OS_TICK    timeout,
                   OS_OPT     opt,
                   CPU_TS    *p_ts,
                   OS_ERR    *p_err)

第一个参数是互斥信号量的变量

第二个参数是请求互斥信号量的超时时间

第三个参数设置阻塞还是不阻塞

第四个参数是时间戳

第五个参数是错误返回值

2.4删除互斥信号量

OS_OBJ_QTY  OSMutexDel (OS_MUTEX  *p_mutex,
                        OS_OPT     opt,
                        OS_ERR    *p_err)

3.互斥信号量的注意事项

（1）但是使用互斥量的时候一定需要注意：在获得互斥量后，请尽快释放互斥量，同时需要注意的是在任务持有互斥量的这段时间，不得更改任务的优先级。UCOS的优先级继承机制不能解决优先级反转，只能将这种情况的影响降低到最小，硬实时系统在一开始设计时就要避免优先级反转发生

（2）互斥量的使用比较单一，因为它是信号量的一种，并且它是以锁的形式存在。在初始化的时候，互斥量处于开锁的状态，而被任务持有的时候则立刻转为闭锁的状态。互斥量更适合于：
　　　　可能会引起优先级翻转的情况。
　　　　任务可能会多次获取互斥量的情况下，这样可以避免同一任务多次递归持有而造成死锁的问题。

（3）互斥量不能在中断服务函数中使用，因为其特有的优先级继承机制只在任务起作用，而在中断的上下文环境中毫无意义。

图片引用于野火资料22.1 互斥量的基本概念，关于API的具体使用查看UCOSIII/Source/OS_Mutex.c。在野火文档基础上添加了自己的理解，有不准确的地方希望大佬指正。