【基于小熊派IoT开发套件的LiteOS内核实战教程】05-互斥锁(共享资源保护)

mculover666 发表于 2019/12/11 15:16:57 2019/12/11
【摘要】 1. LiteOS的互斥锁1.1. 互斥锁在多任务环境下,往往存在多个任务竞争同一共享资源的应用场景,互斥锁可被用于对共享资源的保护从而实现独占式访问。互斥锁(mutex)又称互斥型信号量,是一种特殊的二值信号量,用于实现对共享资源的独占式处理。另外,Huawei LiteOS提供的互斥锁通过优先级继承算法,解决了优先级翻转问题。1.2. 互斥锁的使用方式多任务环境下会存在多个任务访问同一公...

1. LiteOS的互斥锁

1.1. 互斥锁

在多任务环境下,往往存在多个任务竞争同一共享资源的应用场景,互斥锁可被用于对共享资源的保护从而实现独占式访问。互斥锁(mutex)又称互斥型信号量,是一种特殊的二值信号量,用于实现对共享资源的独占式处理。另外,Huawei LiteOS提供的互斥锁通过优先级继承算法,解决了优先级翻转问题。

1.2. 互斥锁的使用方式

多任务环境下会存在多个任务访问同一公共资源的场景,而有些公共资源是非共享的,需要任务进行独占式处理

互斥锁怎样来避免这种冲突呢?

在任意时刻,互斥锁的状态只有两种:开锁和闭锁。

当有任务持有时,互斥锁处于闭锁状态,这个任务获得该互斥锁的所有权。当该任务释放它时,该互斥锁被开锁,任务失去该互斥锁的所有权。当一个任务持有互斥锁时,其他任务将不能再对该互斥锁进行开锁或持有。

那么,当一个互斥锁为加锁状态时,此时其他任务如果想访问这个公共资源则会被阻塞,直到互斥锁被持有该锁的任务释放后,其他任务才能重新访问该公共资源,此时互斥锁再次上锁,如此确保同一时刻只有一个任务正在访问这个公共资源,保证了公共资源操作的完整性。

1.3. 互斥锁的使用场景

互斥锁可以提供任务之间的互斥机制,用来防止两个任务在同一时刻访问相同的共享资源。

除此之外,互斥锁还可以被用于防止多任务同步时造成优先级翻转的问题。

2. 互斥锁API

Huawei LiteOS 系统中的互斥锁模块为用户提供创建/删除互斥锁、获取/释放互斥锁的功能。

Huawei LiteOS 系统中提供的互斥锁 API 都是以 LOS 开头,但是这些 API 使用起来比较复杂,所以本文中我们使用 Huawei IoT Link SDK 提供的统一API接口进行实验,这些接口底层已经使用 LiteOS 提供的API实现,对用户而言更为简洁,API列表如下:

osal的api接口声明在中,使用相关的接口需要包含该头文件,关于函数的详细参数请参考该头文件的声明。

相关的接口定义在osal.c中,基于LiteOS的接口实现在 liteos_imp.c文件中:

接口名功能描述
osal_mutex_create创建互斥锁
osal_mutex_del删除互斥锁
osal_mutex_lock获取互斥锁(上锁)
osal_mutex_unlock释放互斥锁(解锁)

2.1. osal_mutex_create

osal_mutex_create接口用于创建一个互斥锁,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;}

该接口的参数说明如下表:

参数描述
mutex互斥锁索引ID的地址
返回值false - 创建失败
返回值true - 创建成功

2.2. osal_mutex_del

osal_mutex_del接口用于删除一个互斥锁,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;}

该接口的参数说明如下表:

参数描述
mutex互斥锁索引ID
返回值false - 删除失败
返回值true - 删除成功

2.3. osal_mutex_lock

osal_mutex_lock接口用于获取一个互斥锁,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;}
参数描述
mutex互斥锁索引ID
返回值false - 申请失败
返回值true - 申请成功

2.4. osal_mutex_unlock

osal_mutex_unlock接口用于释放一个互斥锁,如果有任务阻塞等待该互斥锁,则唤醒最早被阻塞的任务,该任务进入就绪态,并进行调度。

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;}

该接口的参数说明如下表:

参数描述
mutex互斥锁索引ID
返回值false - 释放失败
返回值true - 释放成功

3. 动手实验 —— 使用互斥锁进行资源保护

实验内容

本实验中将创建两个任务,一个低优先级任务task1,一个高优先级任务task2,两个任务之间依次对共享资源上锁、操作、解锁,在串口终端中观察两个任务的运行情况。

实验代码

首先打开上一篇使用的 HelloWorld 工程,基于此工程进行实验。

在Demo文件夹右击,新建文件夹osal_kernel_demo用于存放内核的实验文件(如果已有请忽略这一步)。

接下来在此文件夹中新建一个实验文件 osal_mutex_demo.c,开始编写代码:

/* 使用osal接口需要包含该头文件 */#include /* 任务优先级宏定义(shell任务的优先级为10) */#define USER_TASK1_PRI  12  //低优先级#define USER_TASK2_PRI  11  //高优先级/* 共享资源 */uint32_t public_value = 0;/* 互斥锁索引ID */osal_mutex_t public_value_mutex;/* 任务task1入口函数 */static int user_task1_entry(){
    while(1)
    {
        /* 尝试获取互斥锁 */
        if(true == osal_mutex_lock(public_value_mutex))
        {
            /* 获取到互斥锁,对共享资源进行操作 */
            printf("\r\ntask1: lock a mutex.\r\n");
            public_value += 10;
            printf("task1: public_value = %ld.\r\n", public_value);

            /* 对共享资源操作完毕,释放互斥锁 */
            printf("task1: unlock a mutex.\r\n\r\n");
            osal_mutex_unlock(public_value_mutex);

            /* 满足条件则结束任务 */
            if(public_value > 100)
                break;

        }
    }

    /* while(1)会执行结束,所以需要返回值 */
    return 0;}/* 任务task2入口函数 */static int user_task2_entry(){
    while (1)
    {
        /* 尝试获取互斥锁 */
       if(true == osal_mutex_lock(public_value_mutex))
        {
            /* 获取到互斥锁,对共享资源进行操作 */
            printf("\r\ntask2: lock a mutex.\r\n");
            public_value += 5; 
            printf("task2: public_value = %ld.\r\n", public_value);

            /* 对共享资源操作完毕,释放互斥锁 */
            printf("task2: unlock a mutex.\r\n\r\n");
            osal_mutex_unlock(public_value_mutex);

            /* 满足条件则结束任务 */
            if(public_value > 90)
                break;
            /* 优先级较高,需要挂起一下,让task1获取到互斥锁,否则task2再次上锁,形成死锁 */
            osal_task_sleep(10);
        }
    }

    /* while(1)会执行结束,所以需要返回值 */
    return 0;}/* 标准demo启动函数,函数名不要修改,否则会影响下一步实验 */int standard_app_demo_main(){
    /* 创建互斥锁public_value_mutex */
    osal_mutex_create(&public_value_mutex);

    /* 创建任务task1 */
    osal_task_create("user_task1",user_task1_entry,NULL,0x400,NULL,USER_TASK1_PRI);

    /* 创建任务task2 */
    osal_task_create("user_task2",user_task2_entry,NULL,0x400,NULL,USER_TASK2_PRI);

    return 0;}

编写完成之后,要将我们编写的 osal_mutex_demo.c文件添加到makefile中,加入整个工程的编译:

这里有个较为简单的方法,直接修改Demo文件夹下的user_demo.mk配置文件,添加如下代码:

#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

添加位置如图:

这段代码的意思是:

如果 CONFIG_USER_DEMO 宏定义的值是osal_mutex_demo,则将osal_mutex_demo.c文件加入到makefile中进行编译。

那么,如何配置 CONFIG_USER_DEMO 宏定义呢?在工程根目录下的.sdkconfig文件中的末尾即可配置:

因为我们修改了mk配置文件,所以点击重新编译按钮进行编译,编译完成后点击下载按钮烧录程序。

实验现象

程序烧录之后,即可看到程序已经开始运行,在串口终端中可看到实验的输出内容:

**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,系统启动后,首先打印版本号,串口shell的优先级为10,最先打印shell信息,接下来task1先创建,但是优先级较低,所以后创建的task2抢占执行,task2获取到互斥锁,对共享资源进行操作,操作完毕解锁,然后主动挂起,task1获取到互斥锁,对共享资源进行另一个操作,操作完毕解锁,在task1操作的时候,task2早已挂起完毕,但是获取不到互斥锁,所以挂起等待,在task1解锁后,堵塞的task2被唤醒开始执行。


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