实践Xenomai内核——同步互斥机制(一):优先级倒置

现在，许多工业控制系统与设备正在从传统的继电器控制向以嵌入式单片机为核心的微型计算机控制系统过渡，进而逐渐发展成为基于以太网技术的远程控制系统。与继电器控制相比，嵌入式系统具有更好的灵活性、可扩充性与可靠性。这为嵌入式系统在实时控制领域的广泛应用提供了基础。但是，嵌入式实时系统中任务之间的同步互斥关系非常复杂，必须协调好各个任务之间的资源争夺。

Xenomai是一个开放源代码的实时操作系统内核，它基于Linux内核，并增加了许多实时功能，如确定性时延、优先级继承和优先级倒置。同步互斥机制是Xenomai内核中最重要的机制之一。它用于协调任务之间的资源争夺，防止出现死锁和优先级倒置等问题。

本文将重点介绍同步互斥机制在Xenomai内核中的实现和应用，并重点分析优先级倒置的产生原因和解决办法。

同步互斥机制

同步互斥机制是一种用于协调任务之间对共享资源的访问的机制。它可以防止出现死锁和优先级倒置等问题。

在实时系统中，任务之间经常需要共享资源，如内存、外围设备等。如果多个任务同时访问同一个共享资源，就可能出现资源争夺问题。例如，如果两个任务同时访问同一个内存地址，就可能导致数据损坏。

为了防止出现资源争夺问题，实时操作系统通常会提供同步互斥机制。同步互斥机制可以保证只有一个任务 在同一时间访问同一个共享资源。

Xenomai内核中的同步互斥机制

Xenomai内核中提供了多种同步互斥机制，包括信号量（sem）、互斥锁（mutex）、条件变量（condvar）等。

信号量（sem）

信号量是一种最常用的同步互斥机制。它是一个非负整数，表示共享资源的可用数量。当一个任务需要访问共享资源时，它会首先检查信号量的值。如果信号量的值为正，则表示共享资源可用，任务可以访问共享资源。如果信号量的值为零，则表示共享资源不可用，任务必须等待，直到信号量的值变为正。

互斥锁（mutex）

互斥锁是一种更高级的同步互斥机制。它与信号量类似，但它只能被一个任务同时持有。当一个任务获得互斥锁时，其他任务就无法访问共享资源。当任务释放互斥锁时，其他任务就可以访问共享资源。

条件变量（condvar）

条件变量是一种用于协调任务之间等待和唤醒的机制。当一个任务需要等待某个条件满足时，它可以挂起自己，并等待其他任务唤醒它。当其他任务满足了条件时，它可以唤醒挂起的任务。

优先级倒置

优先级倒置是一种在实时系统中可能出现的问题。它是指低优先级的任务阻止了高优先级的任务执行。

优先级倒置通常是由同步互斥机制引起的。例如，如果一个低优先级的任务获得了互斥锁，而一个高优先级的任务需要访问共享资源，那么高优先级的任务就必须等待低优先级的任务释放互斥锁。这就会导致优先级倒置。

避免优先级倒置

为了避免优先级倒置，实时操作系统通常会提供优先级继承机制。优先级继承机制是指当一个任务获得互斥锁时，它的优先级会提升到最高优先级。这样，就可以防止低优先级的任务阻止高优先级的任务执行。

Xenomai内核提供了优先级继承机制。当一个任务获得互斥锁时，它的优先级会提升到最高优先级。当它释放互斥锁时，它的优先级会恢复到原来的优先级。

总结

同步互斥机制是实时操作系统中最重要的机制之一。它用于协调任务之间的资源争夺，防止出现死锁和优先级倒置等问题。Xenomai内核提供了多种同步互斥机制，包括信号量（sem）、互斥锁（mutex）、条件变量（condvar）等。这些机制可以帮助开发者构建可靠的实时系统。