嵌入式Linux實時技術改進與實現

4、spinlock轉換成mutex

spinlock是一個高效的共享資源同步機制，在SMP（對稱多處理器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(qū)域稱為臨界區(qū)（Critical Section），在內核中大量地使用了spinlock，有大量的臨界區(qū)存在，因此它們將嚴重地影響著系統(tǒng)的實時性。為此使用mutex來替換spinlock，它的意圖是讓spinlock可搶占，但是可搶占后將產生很多后續(xù)影響。

Spinlock失效搶占的目的是避免死鎖。Spinlock如果可搶占了，一個spinlock的競爭者將可能搶占該spinlock的保持者來運行，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已經被一個進程保持，中斷處理函數將無法繼續(xù)進行，從而形成死鎖，這樣的spinlock在使用時應當中斷失效來避免這種死鎖的情況發(fā)生。標準linux內核就是這么做的，中斷線程化之后，中斷失效就沒有必要，因為遇到這種狀況后，中斷線程將掛在等待隊列上并放棄CPU讓別的線程或進程來運行。

等待隊列就是解決這種死鎖僵局的方法，讓每個spinlock都有一個等待隊列，該等待隊列是按進程或線程的優(yōu)先級排隊的。如果一個進程或線程競爭的spinlock已經被另一個線程保持，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讓給別的進程或線程。

5、優(yōu)先級繼承和死鎖檢測

spinlock被mutex化后會產生優(yōu)先級逆轉（Priority Inversion）現象。所謂優(yōu)先級逆轉，就是優(yōu)先級高的進程由于優(yōu)先級低的進程保持了競爭資源被迫等待，而讓中間優(yōu)先級的進程運行，優(yōu)先級逆轉將導致高優(yōu)先級進程的搶占延遲增大，中間優(yōu)先級的進程的執(zhí)行時間的不確定性導致了高優(yōu)先級進程搶占延遲的不確定性，因此為了保證實時性，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）就是專門針對優(yōu)先級逆轉問題提出的解決辦法。

所謂優(yōu)先級繼承，就是spinlock的保持者將繼承高優(yōu)先級的競爭者進程的優(yōu)先級，從而能先于中間優(yōu)先級進程運行，盡可能快地釋放鎖，這樣高優(yōu)先級進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，每次當進程獲得該spinlock后，就將該進程的優(yōu)先級設置為spinlock的優(yōu)先級頂棚值。

Spinlock被mutex化后引入的另一個問題就是死鎖，典型的死鎖有兩種：

一種為自鎖，即一個spinlock保持者試圖獲得它已經保持的鎖，很顯然，這會導致該進程無法運行而死鎖。另一種為非順序鎖而導致的，即進程P1已經保持了spinlock LOCKA但是要獲得進程P2已經保持的spinlock LOCKB，而進程P2要獲得進程P1已經保持的spinlock LOCKA，這樣進程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行檢測，一旦發(fā)生這種死鎖，內核將輸出死鎖執(zhí)行路徑并panic。

6、大內核鎖可搶占

大內核鎖（BKL---Big Kernel Lock）實質上也是spinlock，只是它一般用于保護整個內核，該鎖的保持時間比較長，因此它對整個系統(tǒng)的實時性影響是非常大的，大內核鎖使用了semaphore來實現，如果內核配置為前面三種搶占模式，struct semaphore是架構相關的，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實時性能的逐步完善，必將大大促進嵌入式Linux在工業(yè)控制、后PC時代信息電器等領域的廣泛應用，應用的需要也會進一步促進大量新型實時算法的出現。通過對Linux的改動，就可以開發(fā)出一種可靠的且廉價的硬實時操作系統(tǒng)，具有很好的發(fā)展和應用前景。本文作者的創(chuàng)新點：通過改進延遲，優(yōu)先級繼承并增加搶占機制，改善了系統(tǒng)的實時性，為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)打下了基礎。