VxWorks任務(wù)編程中常見(jiàn)異常分析

1  代碼重入與共享

 在應用中，可能會(huì )出現多個(gè)任務(wù)調用同一段代碼的情況，由于任務(wù)占用CPU是串行的，不會(huì )出現代碼資源使用沖突。但是，不同優(yōu)先級的任務(wù)同時(shí)調用同一段代碼，則可能出現低優(yōu)先級任務(wù)執行某一函數時(shí)被執行該函數的高優(yōu)先級任務(wù)打斷的情況，如果函數中要改寫(xiě)全局變量而沒(méi)有使用互斥，就有可能導致錯誤的存取。例如在中斷中調用內存分配或者釋放函數，如果某個(gè)任務(wù)正在調用內存分配函數或者是內存釋放函數，打斷該任務(wù)時(shí)會(huì )造成異常，可能導致內存泄漏，甚至有可能會(huì )因在中斷中異常而reboot。另外，如果多個(gè)任務(wù)共用的代碼中有全局變量且使用目的不同，或者多個(gè)任務(wù)的代碼中有全局變量同名的情況，則有可能造成變量使用中的錯誤。VxWorks提供了任務(wù)變量（taskVar）的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，任務(wù)可以將使用的全局變量作為任務(wù)變量獨立使用，添加的任務(wù)變量保存在任務(wù)的上下文中，任務(wù)切換時(shí)保存當前內容。

2  符號表的使用

VxWorks中有模塊（module）的概念。裝載模塊完成目標代碼文件在內存中的鏈接，并可以將目標代碼文件中的函數與全局變量加入符號表。符號表中的符號對C語(yǔ)言編寫(xiě)的函數以原來(lái)名字命名，對于C++語(yǔ)言的函數則是在后面加上形參的數據類(lèi)型作為符號名。如f1( )的符號名為f1__Fv，最后的v表示void類(lèi)型；f2(int)符號名為f2__Fi，f3(int,int)為f3__Fii，依此類(lèi)推。代碼的編譯過(guò)程中并不對要使用的函數和變量進(jìn)行檢查。例如調用一個(gè)并不存在的函數編譯并不報錯，編譯器認為此函數可能在操作系統內核中或者已經(jīng)下載的目標文件中，但在目標文件下載時(shí)會(huì )找不到要調用的函數。如果符號表中的符號出現了重名，譬如兩次下載的目標文件中有函數重名，則要作散列處理，之后對該函數的調用是最后加入符號表的函數，而之前已經(jīng)裝載的模塊則不會(huì )受到影響。如果應用程序中使用了與操作系統內核同名的符號，則對操作系統某些API函數的調用將會(huì )失敗。

3  特殊的任務(wù)保護

在VxWorks中，當一個(gè)任務(wù)被刪除，其它任務(wù)不會(huì )得到通知，而且由于任務(wù)間的獨立性，每一個(gè)任務(wù)可以無(wú)限制地刪除其它任務(wù)。在應用中，我們可能會(huì )把需要保護任務(wù)誤刪除。VxWorks 提供的兩個(gè)函數taskSafe( )和taskUnsafe( )將通知意外刪除任務(wù)而引起的問(wèn)題。當任務(wù)調用taskSafe( )時(shí)，從調用的那一刻起，該任務(wù)就被保護起來(lái)而不會(huì )被其它任務(wù)刪除。如果任務(wù)1試圖刪除已經(jīng)調用taskSafe( )的任務(wù)2，則任務(wù)1將被阻塞，直到任務(wù)2調用taskUnsafe( )。保護只能由任務(wù)自己實(shí)現，一個(gè)任務(wù)不能safe或unsafe另外一個(gè)任務(wù)。taskSafe( )和taskUnsafe( )支持嵌套模式。如果有嵌套發(fā)生，一個(gè)計數器將開(kāi)始工作，每有一個(gè)taskSafe( )被調用，則計數器加1；調用1個(gè)taskUnsafe( )，則計數器減1。只有當計數器為0時(shí)，才能刪除該任務(wù)。
有時(shí)為了執行效率等原因，任務(wù)的運行需要禁止基于優(yōu)先級的搶占，這可以通過(guò)調用taskLock( )實(shí)現。如果任務(wù)1調用taskLock( )禁止了高優(yōu)先級任務(wù)對它的搶占，當任務(wù)1被阻塞或被暫停，核心將調度下一個(gè)具有最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)運行。如果這時(shí)任務(wù)1又就緒且被調度運行，搶占又被禁止。但是，禁止基于優(yōu)先級的搶占可以阻止任務(wù)切換，卻并不會(huì )屏蔽中斷。調用taskUnLock( )可以解除優(yōu)先級搶占的禁止，通過(guò)調用taskLock( )和taskUnLock( )可以實(shí)現對臨界資源的互斥訪(fǎng)問(wèn)。

4 任務(wù)調度中CPU的占用

如前所述，不同優(yōu)先級的任務(wù)是通過(guò)搶占獲得CPU使用權的，如果不選時(shí)間片輪轉，相同優(yōu)先級的任務(wù)之間也是搶占CPU的。任務(wù)就緒隊列中正在運行的任務(wù)如果不主動(dòng)放棄CPU，則其它同優(yōu)先級的任務(wù)不會(huì )得到運行，這樣就有可能看到幾個(gè)同優(yōu)先級的任務(wù)狀態(tài)同為READY，但實(shí)際上只有一個(gè)任務(wù)在運行的現象。比如在一個(gè)任務(wù)中用taskSpawn()函數創(chuàng )建一個(gè)同優(yōu)先級或低優(yōu)先級的任務(wù)，如果原任務(wù)一直占用CPU，新任務(wù)就不會(huì )開(kāi)始運行。調用函數taskDelay()可以使任務(wù)放棄CPU一定的時(shí)間，從而實(shí)現任務(wù)間時(shí)間上的同步；也可以放棄CPU零時(shí)間，將任務(wù)移至同優(yōu)先級就緒隊列的末尾，這樣就可以實(shí)現多個(gè)同優(yōu)先級的任務(wù)并發(fā)運行。另外，由于中斷能夠打斷任務(wù)的運行，中斷處理函數中執行的代碼就要盡可能少地占用CPU，并且中斷中不能有獲取信號量的操作。一旦處于等待之中，所有的任務(wù)均得不到運行，用戶(hù)可能會(huì )有CPU不響應的錯覺(jué)。

5 堆棧越界

如前所述，每一個(gè)任務(wù)都有自己的堆棧，任務(wù)創(chuàng )建時(shí)進(jìn)行初始化。每個(gè)堆棧的大小是固定，但是任務(wù)運行過(guò)程中并不對堆棧的使用進(jìn)行限制。由于VxWorks不對內存訪(fǎng)問(wèn)作限制，棧頂超越了原定的值后出現越界，這樣操作系統中該任務(wù)堆棧以外的內存區域就可能被改寫(xiě)，會(huì )造成難以預料的結果，甚至可能造成任務(wù)的上下文區域被改寫(xiě)而任務(wù)消失。造成越界的原因主要是在函數中定義了比較大的數組，以致進(jìn)棧時(shí)越界。這樣在編寫(xiě)程序時(shí)，就要求在堆棧許可的范圍內定義數組。如果確實(shí)需要比較大的內存空間，可以使用操作系統的內存分配函數來(lái)獲得內存。由于堆棧越界后有可能使任務(wù)的控制信息被破壞，使得對堆棧越界的檢測比較困難，例如可以在棧底寫(xiě)入一串特殊字符，用另外一個(gè)任務(wù)或者中斷服務(wù)程序經(jīng)常來(lái)檢查是否被改寫(xiě)來(lái)判斷越界。

6 CPU異常

在VxWorks中，當任務(wù)的指令執行中出現了指令非法、地址尋址錯誤、總線(xiàn)錯、除數為0等情況時(shí)，就會(huì )出現CPU異常。比較常見(jiàn)的情況是，指針地址非法或者數組下標越界就有可能存取有效地址空間以外的地址而造成CPU異常。VxWorks提供一個(gè)異常處理句柄（handler）和一個(gè)名為tExcTask的任務(wù)來(lái)處理異常。異常出現后任務(wù)成為掛起狀態(tài)（suspend），并且不能轉變?yōu)槠渌鼱顟B(tài)。在VxWorks中，有一個(gè)異常向量表來(lái)對應各種異常，外部中斷也作為一種特殊的異常。VxWorks的做法是把多種異常的處理映射到同一個(gè)異常處理函數進(jìn)行處理，并且VxWorks提供了向這個(gè)異常處理函數中鉤掛用戶(hù)的異常處理函數的接口excHookAdd()，也可以將某一個(gè)異常向量映射到指定的處理函數。