临界区问题的产生，以及解决方法。

凌海滨

临界区问题的产生，以及解决方法。 [复制链接]

临界区问题是嵌入式软件编程一个不得不面对的关键性问题。特别对于底层驱动，代码在内存中只有一份，上层的多任务或者多进程，都会对同一个驱动去访问，这样不可避免的遇到了任务之间打架的问题，处理好这个问题是区分一个菜鸟和老鸟的根本性关键之一。

接下来谈谈临界区产生的原因：

假设有以下代码:

int x;

void process_data()

{

x++;

}

假如在一个可以抢占的操作系统上有两个任务task1, task2, 全局变量x 的初始值为0, 现在两个任务task1, task2 同时去访问process_data 这个函数，两个任务各执行一次process_data 这个函数，等到两个人执行完毕后，试问x的值是多少？大部分人可能会回答为2。没有操作系统的时候，的却不错，调用函数2次，就是2.问题是有了操作系统就没这么简单了，一个任务执行期间，随时可能会被另外一个任务给打断，这样就会造成临界区的问题。

首先明确一个基本概念，在操作系统中每一个任务都有自己的一套寄存器，各个任务间的寄存器值很可能是不一样的。

下面来具体分析这个问题产生的根本原因：

x++不是一个原子型的操作，它的汇编函数有3句，分别是:

1 ldr r1, [mem]

2 add r1, r1, #1

3 strr1 [mem]

如果有以下流程，参照下图：

file:///C:/Users/ASUS/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-6495.png

假如任务task1 刚执行完(2)即 add r1, r1,#1, 因为是可以抢占的操作系统，所以被高优先级任务task 2 给抢占了，然后task 2 执行完(3) (4) (5)这三个步骤之后还给任务task 1, 最后task1 执行完(6)。

如前所述，图中的task1 和task2 的寄存器值是不同的，因为任务各自有自己的一套寄存器。读者可以推导一下，x 的最终值在内存中是1而不是2！

所以在多任务的情况下，共同去访问一个全局变量，会产生临界区的问题，如之前所述最终值可能是不确定的，可能是1也可能是2，所以需要采用操作系统的一定机制去保护它。

接下来谈谈怎么去解决这个问题。

解决方式一：

void process_data()

{

RAW_CPU_DISABLE();

x++;

RAW_CPU_ENABLE();

}

如上代码关了中断的话，任务也就不能被抢了，而且x++的速度很快，推荐使用这样的方式。

解决方式二：

void __process_data()

{

x++;

}

void process_data()

{

raw_disable_sche()；

__process_data();

raw_enable_sche()；

}

如上代码关了系统抢占后，任务之间的调度被禁止。

解决方式三：

void __process_data()

{

x++;

}

void process_data()

{

lock()；

__process_data();

unlock ()；

}

如上代码加软件锁之后，只能有一个任务处理此段临界区，lock可以是semaphore 或者mutex.

之前的例子演示的是任务和任务之间的打架冲突，会造成临界区问题，那如果是中断和任务之间的打架冲突呢？答案是一致的，唯一不同点是任务和任务之间的冲突可以有多种保护方式，但是任务和中断之间的冲突只能用关中断去保护，即采用之前的解决方式一来解决冲突。

临界区的产生原因有很多，往往是复杂的，考虑如下的fifo循环缓冲区:

struct raw_fifo {

RAW_U32     in;                                (1)

RAW_U32     out;                               (2)

RAW_U32     mask;

void        *data;

RAW_U32     free_bytes;

RAW_U32     size;

};

(1) 处是fifo的的写指针，（2）处是fifo读指针

下面的代码是往fifo 里面写数据。

RAW_U32 fifo_in(struct raw_fifo *fifo,

const void *buf, RAW_U32 len)

{

RAW_U32 l;

RAW_SR_ALLOC();

RAW_CPU_DISABLE();                                (1)

l = fifo_unused(fifo);

if (len > l)

len = l;

fifo_copy_in(fifo, buf, len, fifo->in); (2)

fifo->in += len;   (3)

fifo->free_bytes -= len;

RAW_CPU_ENABLE(); (4)

return len;

}

(2)处代码为写入数据到fifo 中。

(3)处代码为更新fifo 写指针。

可以看到(1) 处为关cpu 中断，(4) 处为开cpu 中断。这样做的目的是保护临界区(2)和(3)处，(2) 和(3) 处是一个连贯的逻辑，这块逻辑是不能被打断的。

假设有两个任务task1, task2 同时执行fifo_in，当task1 执行完(2)之后，被高优先级任务task2抢占，当task2 执行(2)处代码时会覆盖task1之前写到fifo里面的数据，因为task1还未更新(3)处的写指针。 这个例子里用到了开关中断来保护临界区，因为中断里也会用到fifo 的api.

所以对于软件部分的临界区，往往要保护的是整个全局变量所引发的一系列逻辑。而不仅是保护那个全局变量，读者需要仔细体会。

接下来谈谈硬件临界区。所谓的硬件临界区是指一个任务在访问硬件设备的时候，比如写操作，这个时候不允许有其它任务，或者中断去访问这个操作，不然整个写的时序就被破坏了，很可能结果不可预料，往往会挂机。举例如下：

__nand_write()

{

…………………………..

……………………………

…………………………….

}

nand_write()

{

lock() (1)

__nand_write();

unlock(); (2)

}

(1)处和(2)处的锁往往是semphore 或者mutex, 推荐使用mutex, 因为可以更好地解决优先级反转的问题。