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

4、spinlock轉換成mutex

spinlock是一個(gè)高效的共享資源同步機制，在SMP（對稱(chēng)多處理器Symmetric Multiple Proocessors）的情況下，它用于保護共享資源，如全局的數據結構或一個(gè)只能獨占的硬件資源。但是spinlock保持期間將使搶占失效，用spinlock保護的區域稱(chēng)為臨界區（Critical Section），在內核中大量地使用了spinlock，有大量的臨界區存在，因此它們將嚴重地影響著(zhù)系統的實(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的競爭者將可能搶占該spinlock的保持者來(lái)運行，但是由于得不到spinlock將自旋在那里，如果競爭者的優(yōu)先級高于保持者的優(yōu)先級，將形成一種死鎖的局面，因為保持者無(wú)法得到運行而永遠不能釋放spinlock，而競爭者由于不能得到一個(gè)不可能釋放的spinlock而永遠自旋在那里。

由于中斷處理函數也可以使用spinlock，如果它使用的spinlock已經(jīng)被一個(gè)進(jìn)程保持，中斷處理函數將無(wú)法繼續進(jìn)行，從而形成死鎖，這樣的spinlock在使用時(shí)應當中斷失效來(lái)避免這種死鎖的情況發(fā)生。標準linux內核就是這么做的，中斷線(xiàn)程化之后，中斷失效就沒(méi)有必要，因為遇到這種狀況后，中斷線(xiàn)程將掛在等待隊列上并放棄CPU讓別的線(xiàn)程或進(jìn)程來(lái)運行。

等待隊列就是解決這種死鎖僵局的方法，讓每個(gè)spinlock都有一個(gè)等待隊列，該等待隊列是按進(jìn)程或線(xiàn)程的優(yōu)先級排隊的。如果一個(gè)進(jìn)程或線(xiàn)程競爭的spinlock已經(jīng)被另一個(gè)線(xiàn)程保持，它將把自己掛在該spinlock的優(yōu)先級化的等待隊列上，然后發(fā)生調度把CPU讓給別的進(jìn)程或線(xiàn)程。

5、優(yōu)先級繼承和死鎖檢測

spinlock被mutex化后會(huì )產(chǎn)生優(yōu)先級逆轉（Priority Inversion）現象。所謂優(yōu)先級逆轉，就是優(yōu)先級高的進(jìn)程由于優(yōu)先級低的進(jìn)程保持了競爭資源被迫等待，而讓中間優(yōu)先級的進(jìn)程運行，優(yōu)先級逆轉將導致高優(yōu)先級進(jìn)程的搶占延遲增大，中間優(yōu)先級的進(jìn)程的執行時(shí)間的不確定性導致了高優(yōu)先級進(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)先級逆轉現象。

優(yōu)先級繼承協(xié)議（Priority Inheritance Protocol）和優(yōu)先級頂棚協(xié)議（Priority Ceiling Protocol）就是專(zhuān)門(mén)針對優(yōu)先級逆轉問(wèn)題提出的解決辦法。

所謂優(yōu)先級繼承，就是spinlock的保持者將繼承高優(yōu)先級的競爭者進(jìn)程的優(yōu)先級，從而能先于中間優(yōu)先級進(jìn)程運行，盡可能快地釋放鎖，這樣高優(yōu)先級進(jìn)程就能很快得到競爭的spinlock，使得搶占延遲更確定，更短。

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

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 )導致該進(jìn)程無(wú)法運行而死鎖。另一種為非順序鎖而導致的，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都將因為需要得到對方擁有的但永遠不可能釋放的spinlock而死鎖。對這兩種情況都要進(jìn)行檢測，一旦發(fā)生這種死鎖，內核將輸出死鎖執行路徑并panic。

6、大內核鎖可搶占

大內核鎖（BKL---Big Kernel Lock）實(shí)質(zhì)上也是spinlock，只是它一般用于保護整個(gè)內核，該鎖的保持時(shí)間比較長(cháng)，因此它對整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性影響是非常大的，大內核鎖使用了semaphore來(lái)實(shí)現，如果內核配置為前面三種搶占模式，struct semaphore是架構相關(guān)的，如對于x86，結構定義如下：

struct semaphore {

atomic_t count;

int sleepers;

wait_queue_head_t wait;

};

但對于第四種搶占模式，其結構為：

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，因此可搶占大內核鎖和新的spinlock共用了低層的處理代碼。使用semaphore之后，大內核鎖就可搶占了。

7、結論

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)域的廣泛應用，應用的需要也會(huì )進(jìn)一步促進(jìn)大量新型實(shí)時(shí)算法的出現。通過(guò)對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，具有很好的發(fā)展和應用前景。本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)：通過(guò)改進(jìn)延遲，優(yōu)先級繼承并增加搶占機制，改善了系統的實(shí)時(shí)性，為嵌入式系統開(kāi)發(fā)打下了基礎。