鸿蒙内核源码分析(互斥锁篇) | 互斥锁比自旋锁丰满多了

内核中哪些地方会用到互斥锁?看图:

图中是内核有关模块对互斥锁初始化,有文件,有内存,用消息队列等等,使用面非常的广.其实在给内核源码加注的过程中,会看到大量的自旋锁和互斥锁,它们的存在有序的保证了内核和应用程序的正常运行.是非常基础和重要的功能.

概述

自旋锁 和 互斥锁 虽都是锁,但解决的问题不同, 自旋锁解决用于CPU核间共享内存的竞争,而互斥锁解决线程(任务)间共享内存的竞争.

自旋锁的特点是死守共享资源,拿不到锁,CPU选择睡眠,等待其他CPU释放资源.所以共享代码段不能太复杂,否则容易死锁,休克.

互斥锁的特点是拿不到锁往往原任务阻塞,切换到新任务运行.CPU是会一直跑的.这样很容易会想到几个问题:

第一:会出现很多任务在等同一把锁的情况出现,因为切换新任务也可能因要同一把锁而被阻塞,CPU又被调去跑新新任务了.这样就会出现一个等锁的链表.

第二:持有锁的一方再申请同一把锁时还能成功吗? 答案是可以的,这种锁叫递归锁,是鸿蒙内核默认方式.

第三:当优先级很高的A任务要锁失败,主动让出CPU进入睡眠,而如果持有锁的B任务优先级很低, 迟迟等不到调度不到B任务运行,无法释放锁怎么办?
答案是会临时调整B任务的优先级,调到A一样高,这样B能很快的被调度到,等B释放锁后其优先级又会被还原.所以一个任务的优先级会看情况时高时低.

第四:B任务释放锁之后要主动唤醒等锁的任务链表,使他们能加入就绪队列,等待被调度.调度算法是一视同仁的,它只看优先级.

带着这些问题,进入鸿蒙内核互斥锁的实现代码,本篇代码量较大, 每行代码都一一注解说明.

互斥锁长什么样?

enum {
    LOS_MUX_PRIO_NONE = 0,  //线程的优先级和调度不会受到互斥锁影响,先来后到,普通排队.
    LOS_MUX_PRIO_INHERIT = 1, //当高优先级的等待低优先级的线程释放锁时，低优先级的线程以高优先级线程的优先级运行。
           //当线程解锁互斥量时，线程的优先级自动被将到它原来的优先级
    LOS_MUX_PRIO_PROTECT = 2 //详见:OsMuxPendOp中的注解,详细说明了LOS_MUX_PRIO_PROTECT的含义
};
enum {
    LOS_MUX_NORMAL = 0,  //非递归锁 只有[0.1]两个状态,不做任何特殊的错误检,不进行deadlock detection(死锁检测)
    LOS_MUX_RECURSIVE = 1, //递归锁 允许同一线程在互斥量解锁前对该互斥量进行多次加锁。递归互斥量维护锁的计数，在解锁次数和加锁次数不相同的情况下，不会释放锁，别的线程就无法加锁此互斥量。
    LOS_MUX_ERRORCHECK = 2, //进行错误检查,如果一个线程企图对一个已经锁住的mutex进行relock或对未加锁的unlock，将返回一个错误。
    LOS_MUX_DEFAULT = LOS_MUX_RECURSIVE //鸿蒙系统默认使用递归锁
};
typedef struct { //互斥锁的属性
    UINT8 protocol;  //协议
    UINT8 prioceiling; //优先级上限
    UINT8 type;   //类型属性
    UINT8 reserved;  //保留字段
} LosMuxAttr;

typedef struct OsMux { //互斥锁结构体
    UINT32 magic;        /**< magic number */  //魔法数字
    LosMuxAttr attr;     /**< Mutex attribute */ //互斥锁属性
    LOS_DL_LIST holdList; /**< The task holding the lock change */ //当有任务拿到本锁时,通过holdList节点把锁挂到该任务的锁链表上
    LOS_DL_LIST muxList; /**< Mutex linked list */ //等这个锁的任务链表,上面挂的都是任务,注意和holdList的区别.
    VOID *owner;         /**< The current thread that is locking a mutex */ //当前拥有这把锁的任务
    UINT16 muxCount;     /**< Times of locking a mutex */ //锁定互斥体的次数,递归锁允许多次
} LosMux;

初始化

LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 LOS_MuxInit(LosMux *mutex, const LosMuxAttr *attr)
{   //...
    SCHEDULER_LOCK(intSave);        //拿到调度自旋锁
    mutex->muxCount = 0;            //锁定互斥量的次数
    mutex->owner = NULL;            //持有该锁的任务
    LOS_ListInit(&mutex->muxList);  //初始化等待该锁的任务链表
    mutex->magic = OS_MUX_MAGIC;    //固定标识,互斥锁的魔法数字
    SCHEDULER_UNLOCK(intSave);      //释放调度自旋锁
    return LOS_OK;
}

留意mutex->muxList,这又是一个双向链表, 双向链表是内核最重要的结构体,不仅仅是鸿蒙内核,在linux内核中(list_head)又何尝不是,牢牢的寄生在宿主结构体上.muxList上挂的是未来所有等待这把锁的任务.

三种申请模式

申请互斥锁有三种模式：无阻塞模式、永久阻塞模式、定时阻塞模式。

无阻塞模式：即任务申请互斥锁时，入参timeout等于0。若当前没有任务持有该互斥锁，或者持有该互斥锁的任务和申请该互斥锁的任务为同一个任务，则申请成功，否则立即返回申请失败。

永久阻塞模式：即任务申请互斥锁时，入参timeout等于0xFFFFFFFF。若当前没有任务持有该互斥锁，则申请成功。否则，任务进入阻塞态，系统切换到就绪任务中优先级最高者继续执行。任务进入阻塞态后，直到有其他任务释放该互斥锁，阻塞任务才会重新得以执行。

定时阻塞模式：即任务申请互斥锁时，0<timeout<0xFFFFFFFF。若当前没有任务持有该互斥锁，则申请成功。否则该任务进入阻塞态，系统切换到就绪任务中优先级最高者继续执行。任务进入阻塞态后，超时前如果有其他任务释放该互斥锁，则该任务可成功获取互斥锁继续执行，若超时前未获取到该互斥锁，接口将返回超时错误码。

如果有任务阻塞于该互斥锁，则唤醒被阻塞任务中优先级最高的，该任务进入就绪态，并进行任务调度。
如果没有任务阻塞于该互斥锁，则互斥锁释放成功。

申请互斥锁主函数 OsMuxPendOp

//互斥锁的主体函数,由OsMuxlockUnsafe调用,互斥锁模块最重要的几个函数之一
//最坏情况就是拿锁失败,让出CPU,变成阻塞任务,等别的任务释放锁后排到自己了接着执行. 
STATIC UINT32 OsMuxPendOp(LosTaskCB *runTask, LosMux *mutex, UINT32 timeout)
{
    UINT32 ret;
    LOS_DL_LIST *node = NULL;
    LosTaskCB *owner = NULL;

    if ((mutex->muxList.pstPrev == NULL) || (mutex->muxList.pstNext == NULL)) {//列表为空时的处理
        /* This is for mutex macro initialization. */
        mutex->muxCount = 0;//锁计数器清0
        mutex->owner = NULL;//锁没有归属任务
        LOS_ListInit(&mutex->muxList);//初始化锁的任务链表,后续申请这把锁任务都会挂上去
    }

    if (mutex->muxCount == 0) {//无task用锁时,肯定能拿到锁了.在里面返回
        mutex->muxCount++;              //互斥锁计数器加1
        mutex->owner = (VOID *)runTask; //当前任务拿到锁
        LOS_ListTailInsert(&runTask->lockList, &mutex->holdList);//持有锁的任务改变了,节点挂到当前task的锁链表
        if ((runTask->priority > mutex->attr.prioceiling) && (mutex->attr.protocol == LOS_MUX_PRIO_PROTECT)) {//看保护协议的做法是怎样的?
            LOS_BitmapSet(&runTask->priBitMap, runTask->priority);//1.priBitMap是记录任务优先级变化的位图，这里把任务当前的优先级记录在priBitMap
            OsTaskPriModify(runTask, mutex->attr.prioceiling);//2.把高优先级的mutex->attr.prioceiling设为当前任务的优先级.
        }//注意任务优先级有32个, 是0最高,31最低!!!这里等于提高了任务的优先级,目的是让其在下次调度中继续提高被选中的概率,从而快速的释放锁.
        return LOS_OK;
    }
    //递归锁muxCount>0 如果是递归锁就要处理两种情况 1.runtask持有锁 2.锁被别的任务拿走了
    if (((LosTaskCB *)mutex->owner == runTask) && (mutex->attr.type == LOS_MUX_RECURSIVE)) {//第一种情况 runtask是锁持有方
        mutex->muxCount++;  //递归锁计数器加1,递归锁的目的是防止死锁,鸿蒙默认用的就是递归锁(LOS_MUX_DEFAULT = LOS_MUX_RECURSIVE)
        return LOS_OK;      //成功退出
    }
    //到了这里说明锁在别的任务那里,当前任务只能被阻塞了.
    if (!timeout) {//参数timeout表示等待多久再来拿锁
        return LOS_EINVAL;//timeout = 0表示不等了,没拿到锁就返回不纠结,返回错误.见于LOS_MuxTrylock 
    }
    //自己要被阻塞,只能申请调度,让出CPU core 让别的任务上
    if (!OsPreemptableInSched()) {//不能申请调度 (不能调度的原因是因为没有持有调度任务自旋锁)
        return LOS_EDEADLK;//返回错误,自旋锁被别的CPU core 持有
    }

    OsMuxBitmapSet(mutex, runTask, (LosTaskCB *)mutex->owner);//设置锁位图,尽可能的提高锁持有任务的优先级

    owner = (LosTaskCB *)mutex->owner;  //记录持有锁的任务
    runTask->taskMux = (VOID *)mutex;   //记下当前任务在等待这把锁
    node = OsMuxPendFindPos(runTask, mutex);//在等锁链表中找到一个优先级比当前任务更低的任务
    ret = OsTaskWait(node, timeout, TRUE);//task陷入等待状态 TRUE代表需要调度
    if (ret == LOS_ERRNO_TSK_TIMEOUT) {//这行代码虽和OsTaskWait挨在一起,但要过很久才会执行到,因为在OsTaskWait中CPU切换了任务上下文
        runTask->taskMux = NULL;// 所以重新回到这里时可能已经超时了
        ret = LOS_ETIMEDOUT;//返回超时
    }

    if (timeout != LOS_WAIT_FOREVER) {//不是永远等待的情况
        OsMuxBitmapRestore(mutex, runTask, owner);//恢复锁的位图
    }

    return ret;
}

释放锁的主体函数 OsMuxPostOp

//是否有其他任务持有互斥锁而处于阻塞状,如果是就要唤醒它,注意唤醒一个任务的操作是由别的任务完成的
//OsMuxPostOp只由OsMuxUnlockUnsafe,参数任务归还锁了,自然就会遇到锁要给谁用的问题, 因为很多任务在申请锁,由OsMuxPostOp来回答这个问题
STATIC UINT32 OsMuxPostOp(LosTaskCB *taskCB, LosMux *mutex, BOOL *needSched)
{
    LosTaskCB *resumedTask = NULL;

    if (LOS_ListEmpty(&mutex->muxList)) {//如果互斥锁列表为空
        LOS_ListDelete(&mutex->holdList);//把持有互斥锁的节点摘掉
        mutex->owner = NULL;
        return LOS_OK;
    }

    resumedTask = OS_TCB_FROM_PENDLIST(LOS_DL_LIST_FIRST(&(mutex->muxList)));//拿到等待互斥锁链表的第一个任务实体,接下来要唤醒任务
    if (mutex->attr.protocol == LOS_MUX_PRIO_INHERIT) {//互斥锁属性协议是继承会怎么操作?
        if (resumedTask->priority > taskCB->priority) {//拿到锁的任务优先级低于参数任务优先级
            if (LOS_HighBitGet(taskCB->priBitMap) != resumedTask->priority) {//参数任务bitmap中最低的优先级不等于等待锁的任务优先级
                LOS_BitmapClr(&taskCB->priBitMap, resumedTask->priority);//把等待任务锁的任务的优先级记录在参数任务的bitmap中
            }
        } else if (taskCB->priBitMap != 0) {//如果bitmap不等于0说明参数任务至少有任务调度的优先级
            OsMuxPostOpSub(taskCB, mutex);//
        }
    }
    mutex->muxCount = 1;//互斥锁数量为1
    mutex->owner = (VOID *)resumedTask;//互斥锁的持有人换了
    resumedTask->taskMux = NULL;//resumedTask不再等锁了
    LOS_ListDelete(&mutex->holdList);//自然要从等锁链表中把自己摘出去
    LOS_ListTailInsert(&resumedTask->lockList, &mutex->holdList);//把锁挂到恢复任务的锁链表上,lockList是任务持有的所有锁记录
    OsTaskWake(resumedTask);//resumedTask有了锁就唤醒它,因为当初在没有拿到锁时处于了pend状态
    if (needSched != NULL) {//如果不为空
        *needSched = TRUE;//就走起再次调度流程
    }

    return LOS_OK;
}

编程实例

本实例实现如下流程。

任务Example_TaskEntry创建一个互斥锁，锁任务调度，创建两个任务Example_MutexTask1、Example_MutexTask2。Example_MutexTask2优先级高于Example_MutexTask1，解锁任务调度，然后Example_TaskEntry任务休眠300Tick。
Example_MutexTask2被调度，以永久阻塞模式申请互斥锁，并成功获取到该互斥锁，然后任务休眠100Tick，Example_MutexTask2挂起，Example_MutexTask1被唤醒。
Example_MutexTask1以定时阻塞模式申请互斥锁，等待时间为10Tick，因互斥锁仍被Example_MutexTask2持有，Example_MutexTask1挂起。10Tick超时时间到达后，Example_MutexTask1被唤醒，以永久阻塞模式申请互斥锁，因互斥锁仍被Example_MutexTask2持有，Example_MutexTask1挂起。
100Tick休眠时间到达后，Example_MutexTask2被唤醒，释放互斥锁，唤醒Example_MutexTask1。Example_MutexTask1成功获取到互斥锁后，释放锁。
300Tick休眠时间到达后，任务Example_TaskEntry被调度运行，删除互斥锁，删除两个任务。

/* 互斥锁句柄id */
UINT32 g_testMux;
/* 任务ID */
UINT32 g_testTaskId01;
UINT32 g_testTaskId02;

VOID Example_MutexTask1(VOID)
{
    UINT32 ret;

    printf("task1 try to get  mutex, wait 10 ticks.\n");
    /* 申请互斥锁 */
    ret = LOS_MuxPend(g_testMux, 10);

    if (ret == LOS_OK) {
        printf("task1 get mutex g_testMux.\n");
        /* 释放互斥锁 */
        LOS_MuxPost(g_testMux);
        return;
    } else if (ret == LOS_ERRNO_MUX_TIMEOUT ) {
            printf("task1 timeout and try to get mutex, wait forever.\n");
            /* 申请互斥锁 */
            ret = LOS_MuxPend(g_testMux, LOS_WAIT_FOREVER);
            if (ret == LOS_OK) {
                printf("task1 wait forever, get mutex g_testMux.\n");
                /* 释放互斥锁 */
                LOS_MuxPost(g_testMux);
                return;
            }
    }
    return;
}

VOID Example_MutexTask2(VOID)
{
    printf("task2 try to get  mutex, wait forever.\n");
    /* 申请互斥锁 */
    (VOID)LOS_MuxPend(g_testMux, LOS_WAIT_FOREVER);

    printf("task2 get mutex g_testMux and suspend 100 ticks.\n");

    /* 任务休眠100Ticks */
    LOS_TaskDelay(100);

    printf("task2 resumed and post the g_testMux\n");
    /* 释放互斥锁 */
    LOS_MuxPost(g_testMux);
    return;
}

UINT32 Example_TaskEntry(VOID)
{
    UINT32 ret;
    TSK_INIT_PARAM_S task1;
    TSK_INIT_PARAM_S task2;

    /* 创建互斥锁 */
    LOS_MuxCreate(&g_testMux);

    /* 锁任务调度 */
    LOS_TaskLock();

    /* 创建任务1 */
    memset(&task1, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
    task1.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_MutexTask1;
    task1.pcName       = "MutexTsk1";
    task1.uwStackSize  = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
    task1.usTaskPrio   = 5;
    ret = LOS_TaskCreate(&g_testTaskId01, &task1);
    if (ret != LOS_OK) {
        printf("task1 create failed.\n");
        return LOS_NOK;
    }

    /* 创建任务2 */
    memset(&task2, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
    task2.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_MutexTask2;
    task2.pcName       = "MutexTsk2";
    task2.uwStackSize  = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
    task2.usTaskPrio   = 4;
    ret = LOS_TaskCreate(&g_testTaskId02, &task2);
    if (ret != LOS_OK) {
        printf("task2 create failed.\n");
        return LOS_NOK;
    }

    /* 解锁任务调度 */
    LOS_TaskUnlock();
    /* 休眠300Ticks */
    LOS_TaskDelay(300);

    /* 删除互斥锁 */
    LOS_MuxDelete(g_testMux);

    /* 删除任务1 */
    ret = LOS_TaskDelete(g_testTaskId01);
    if (ret != LOS_OK) {
        printf("task1 delete failed .\n");
        return LOS_NOK;
    }
    /* 删除任务2 */
    ret = LOS_TaskDelete(g_testTaskId02);
    if (ret != LOS_OK) {
        printf("task2 delete failed .\n");
        return LOS_NOK;
    }

    return LOS_OK;
}

结果验证

task2  to get  mutex wait forever
task2 get mutex g_testMux  suspend  ticks
task1  to get  mutex wait  ticks
task1 timeout   to get mutex wait forever
task2 resumed  post the g_testMux
task1 wait foreverget mutex g_testMux