鴻蒙內(nèi)核源碼分析(信號(hào)量篇) | 信號(hào)量解決任務(wù)同步問題

作者：HarmonyOS技術(shù)社區(qū) 2021-04-13 09:20:15

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基本概念

信號(hào)量(Semaphore) 是一種實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信的機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)間同步或共享資源的互斥訪問。一個(gè)信號(hào)量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，通常有一個(gè)計(jì)數(shù)值，用于對(duì)有效資源數(shù)的計(jì)數(shù)，表示剩下的可被使用的共享資源數(shù)，其值的含義分兩種情況：

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0，表示該信號(hào)量當(dāng)前不可獲取，因此可能存在正在等待該信號(hào)量的任務(wù)。正值，表示該信號(hào)量當(dāng)前可被獲取。

以同步為目的的信號(hào)量和以互斥為目的的信號(hào)量在使用上有如下不同：

用作互斥時(shí)，初始信號(hào)量計(jì)數(shù)值不為0，表示可用的共享資源個(gè)數(shù)。在需要使用共享資源前，先獲取信號(hào)量，然后使用一個(gè)共享資源，使用完畢后釋放信號(hào)量。這樣在共享資源被取完，即信號(hào)量計(jì)數(shù)減至0時(shí)，其他需要獲取信號(hào)量的任務(wù)將被阻塞，從而保證了共享資源的互斥訪問。另外，當(dāng)共享資源數(shù)為1時(shí)，建議使用二值信號(hào)量，一種類似于互斥鎖的機(jī)制。
用作同步時(shí)，初始信號(hào)量計(jì)數(shù)值為0。任務(wù)1獲取信號(hào)量而阻塞，直到任務(wù)2或者某中斷釋放信號(hào)量，任務(wù)1才得以進(jìn)入Ready或Running態(tài)，從而達(dá)到了任務(wù)間的同步。

信號(hào)量運(yùn)作原理

信號(hào)量初始化，為配置的N個(gè)信號(hào)量申請內(nèi)存(N值可以由用戶自行配置，通過 LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT 宏實(shí)現(xiàn))，并把所有信號(hào)量初始化成未使用，加入到未使用鏈表中供系統(tǒng)使用。

● 信號(hào)量創(chuàng)建，從未使用的信號(hào)量鏈表中獲取一個(gè)信號(hào)量，并設(shè)定初值。

● 信號(hào)量申請，若其計(jì)數(shù)器值大于0，則直接減1返回成功。否則任務(wù)阻塞，等待其它任務(wù)釋放該信號(hào)量，等待的超時(shí)時(shí)間可設(shè)定。當(dāng)任務(wù)被一個(gè)信號(hào)量阻塞時(shí)，將該任務(wù)掛到信號(hào)量等待任務(wù)隊(duì)列的隊(duì)尾。

● 信號(hào)量釋放，若沒有任務(wù)等待該信號(hào)量，則直接將計(jì)數(shù)器加1返回。否則喚醒該信號(hào)量等待任務(wù)隊(duì)列上的第一個(gè)任務(wù)。

● 信號(hào)量刪除，將正在使用的信號(hào)量置為未使用信號(hào)量，并掛回到未使用鏈表。

信號(hào)量允許多個(gè)任務(wù)在同一時(shí)刻訪問共享資源，但會(huì)限制同一時(shí)刻訪問此資源的最大任務(wù)數(shù)目。當(dāng)訪問資源的任務(wù)數(shù)達(dá)到該資源允許的最大數(shù)量時(shí)，會(huì)阻塞其他試圖獲取該資源的任務(wù)，直到有任務(wù)釋放該信號(hào)量。

信號(hào)量長什么樣?

typedef struct { 
    UINT8 semStat; /**< Semaphore state *///信號(hào)量的狀態(tài) 
    UINT16 semCount; /**< Number of available semaphores *///有效信號(hào)量的數(shù)量 
    UINT16 maxSemCount;  /**< Max number of available semaphores *///有效信號(hào)量的最大數(shù)量 
    UINT32 semID; /**< Semaphore control structure ID *///信號(hào)量索引號(hào) 
    LOS_DL_LIST semList; /**< Queue of tasks that are waiting on a semaphore *///等待信號(hào)量的任務(wù)隊(duì)列,任務(wù)通過阻塞節(jié)點(diǎn)掛上去 
} LosSemCB;

semList,這又是一個(gè)雙向鏈表, 雙向鏈表是內(nèi)核最重要的結(jié)構(gòu)體, 可前往鴻蒙內(nèi)核源碼分析(總目錄) 查看雙向鏈表篇, LOS_DL_LIST像狗皮膏藥一樣牢牢的寄生在宿主結(jié)構(gòu)體上semList上掛的是未來所有等待這個(gè)信號(hào)量的任務(wù).

初始化信號(hào)量模塊

#ifndef LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT 
#define LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT 1024 //信號(hào)量的最大個(gè)數(shù) 
#endif 
 
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsSemInit(VOID)//信號(hào)量初始化 
{ 
    LosSemCB *semNode = NULL; 
    UINT32 index; 
 
    LOS_ListInit(&g_unusedSemList);//初始 
    /* system resident memory, don't free */ 
    g_allSem = (LosSemCB *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0, (LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT * sizeof(LosSemCB)));//分配信號(hào)池 
    if (g_allSem == NULL) { 
        return LOS_ERRNO_SEM_NO_MEMORY; 
    } 
 
    for (index = 0; index < LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT; index++) { 
        semNode = ((LosSemCB *)g_allSem) + index;//拿信號(hào)控制塊, 可以直接g_allSem[index]來嘛 
        semNode->semID = SET_SEM_ID(0, index);//保存ID 
        semNode->semStat = OS_SEM_UNUSED;//標(biāo)記未使用 
        LOS_ListTailInsert(&g_unusedSemList, &semNode->semList);//通過semList把 信號(hào)塊掛到空閑鏈表上 
    } 
 
    if (OsSemDbgInitHook() != LOS_OK) { 
        return LOS_ERRNO_SEM_NO_MEMORY; 
    } 
    return LOS_OK; 
}

分析如下:

● 初始化創(chuàng)建了信號(hào)量池來統(tǒng)一管理信號(hào)量, 默認(rèn) 1024 個(gè)信號(hào)量

● 信號(hào)ID范圍從 [0,1023]

● 未分配使用的信號(hào)量都掛到了全局變量 g_unusedSemList 上.

小建議:鴻蒙內(nèi)核其他池(如進(jìn)程池,任務(wù)池)都采用free來命名空閑鏈表,而此處使用unused,命名風(fēng)格不太嚴(yán)謹(jǐn),有待改善.

創(chuàng)建信號(hào)量

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsSemCreate(UINT16 count, UINT16 maxCount, UINT32 *semHandle) 
{ 
    unusedSem = LOS_DL_LIST_FIRST(&g_unusedSemList);//從未使用信號(hào)量池中取首個(gè) 
    LOS_ListDelete(unusedSem);//從空閑鏈表上摘除 
    semCreated = GET_SEM_LIST(unusedSem);//通過semList掛到鏈表上的,這里也要通過它把LosSemCB頭查到. 進(jìn)程,線程等結(jié)構(gòu)體也都是這么干的. 
    semCreated->semCount = count;//設(shè)置數(shù)量 
    semCreated->semStat = OS_SEM_USED;//設(shè)置可用狀態(tài) 
    semCreated->maxSemCount = maxCount;//設(shè)置最大信號(hào)數(shù)量 
    LOS_ListInit(&semCreated->semList);//初始化鏈表,后續(xù)阻塞任務(wù)通過task->pendList掛到semList鏈表上,就知道哪些任務(wù)在等它了. 
    *semHandle = semCreated->semID;//參數(shù)帶走 semID 
    OsSemDbgUpdateHook(semCreated->semID, OsCurrTaskGet()->taskEntry, count); 
    return LOS_OK; 
 
ERR_HANDLER: 
    OS_RETURN_ERROR_P2(errLine, errNo); 
}

分析如下:

● 從未使用的空閑鏈表中拿首個(gè)信號(hào)量供分配使用.

● 信號(hào)量的最大數(shù)量和信號(hào)量個(gè)數(shù)都由參數(shù)指定.

● 信號(hào)量狀態(tài)由 OS_SEM_UNUSED 變成了 OS_SEM_USED

● semHandle帶走信號(hào)量ID,外部由此知道成功創(chuàng)建了一個(gè)編號(hào)為 *semHandle 的信號(hào)量

申請信號(hào)量

LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 LOS_SemPend(UINT32 semHandle, UINT32 timeout) 
{ 
    UINT32 intSave; 
    LosSemCB *semPended = GET_SEM(semHandle);//通過ID拿到信號(hào)體 
    UINT32 retErr = LOS_OK; 
    LosTaskCB *runTask = NULL; 
 
    if (GET_SEM_INDEX(semHandle) >= (UINT32)LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT) { 
        OS_RETURN_ERROR(LOS_ERRNO_SEM_INVALID); 
    } 
 
    if (OS_INT_ACTIVE) { 
        PRINT_ERR("!!!LOS_ERRNO_SEM_PEND_INTERR!!!\n"); 
        OsBackTrace(); 
        return LOS_ERRNO_SEM_PEND_INTERR; 
    } 
 
    runTask = OsCurrTaskGet();//獲取當(dāng)前任務(wù) 
    if (runTask->taskStatus & OS_TASK_FLAG_SYSTEM_TASK) { 
        OsBackTrace(); 
        return LOS_ERRNO_SEM_PEND_IN_SYSTEM_TASK; 
    } 
 
    SCHEDULER_LOCK(intSave); 
 
    if ((semPended->semStat == OS_SEM_UNUSED) || (semPended->semID != semHandle)) { 
        retErr = LOS_ERRNO_SEM_INVALID; 
        goto OUT; 
    } 
 
    /* Update the operate time, no matter the actual Pend success or not */ 
    OsSemDbgTimeUpdateHook(semHandle); 
 
    if (semPended->semCount > 0) {//還有資源可用,返回肯定得成功,semCount=0時(shí)代表沒資源了,task會(huì)必須去睡眠了 
        semPended->semCount--;//資源少了一個(gè) 
        goto OUT;//注意這里 retErr = LOS_OK ,所以返回是OK的  
    } else if (!timeout) { 
        retErr = LOS_ERRNO_SEM_UNAVAILABLE; 
        goto OUT; 
    } 
 
    if (!OsPreemptableInSched()) {//不能申請調(diào)度 (不能調(diào)度的原因是因?yàn)闆]有持有調(diào)度任務(wù)自旋鎖) 
        PRINT_ERR("!!!LOS_ERRNO_SEM_PEND_IN_LOCK!!!\n"); 
        OsBackTrace(); 
        retErr = LOS_ERRNO_SEM_PEND_IN_LOCK; 
        goto OUT; 
    } 
 
    runTask->taskSem = (VOID *)semPended;//標(biāo)記當(dāng)前任務(wù)在等這個(gè)信號(hào)量 
    retErr = OsTaskWait(&semPended->semList, timeout, TRUE);//任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài),當(dāng)前任務(wù)會(huì)掛到semList上,并在其中切換任務(wù)上下文 
    if (retErr == LOS_ERRNO_TSK_TIMEOUT) {//注意:這里是涉及到task切換的,把自己掛起,喚醒其他task  
        runTask->taskSem = NULL; 
        retErr = LOS_ERRNO_SEM_TIMEOUT; 
    } 
 
OUT: 
    SCHEDULER_UNLOCK(intSave); 
    return retErr; 
}

分析如下: 這個(gè)函數(shù)有點(diǎn)復(fù)雜,大量的goto,但別被它繞暈了,盯著返回值看. 先說結(jié)果只有一種情況下申請信號(hào)量能成功(即 retErr == LOS_OK)

if (semPended->semCount > 0) {//還有資源可用,返回肯定得成功,semCount=0時(shí)代表沒資源了,task會(huì)必須去睡眠了 
      semPended->semCount--;//資源少了一個(gè) 
      goto OUT;//注意這里 retErr = LOS_OK ,所以返回是OK的  
  }

其余申請失敗的原因有:

● 信號(hào)量ID超出范圍(默認(rèn)1024)

● 中斷發(fā)生期間

● 系統(tǒng)任務(wù)

● 信號(hào)量狀態(tài)不對(duì),信號(hào)量ID不匹配

以上都是異常的判斷,再說正常情況下 semPended->semCount = 0時(shí)的情況,沒有資源了怎么辦? 任務(wù)進(jìn)入 OsTaskWait 睡眠狀態(tài),怎么睡,睡多久,由參數(shù) timeout 定 timeout 值分以下三種模式:

無阻塞模式：即任務(wù)申請信號(hào)量時(shí)，入?yún)?timeout 等于0。若當(dāng)前信號(hào)量計(jì)數(shù)值不為0，則申請成功，否則立即返回申請失敗。
永久阻塞模式：即任務(wù)申請信號(hào)量時(shí)，入?yún)?timeout 等于0xFFFFFFFF。若當(dāng)前信號(hào)量計(jì)數(shù)值不為0，則申請成功。否則該任務(wù)進(jìn)入阻塞態(tài)，系統(tǒng)切換到就緒任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高者繼續(xù)執(zhí)行。任務(wù)進(jìn)入阻塞態(tài)后，直到有其他任務(wù)釋放該信號(hào)量，阻塞任務(wù)才會(huì)重新得以執(zhí)行。
定時(shí)阻塞模式：即任務(wù)申請信號(hào)量時(shí)，0

在 OsTaskWait 中,任務(wù)將被掛入semList鏈表,semList上掛的都是等待這個(gè)信號(hào)量的任務(wù).

釋放信號(hào)量

LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 OsSemPostUnsafe(UINT32 semHandle, BOOL *needSched) 
{ 
    LosSemCB *semPosted = NULL; 
    LosTaskCB *resumedTask = NULL; 
 
    if (GET_SEM_INDEX(semHandle) >= LOSCFG_BASE_IPC_SEM_LIMIT) { 
        return LOS_ERRNO_SEM_INVALID; 
    } 
 
    semPosted = GET_SEM(semHandle); 
    if ((semPosted->semID != semHandle) || (semPosted->semStat == OS_SEM_UNUSED)) { 
        return LOS_ERRNO_SEM_INVALID; 
    } 
 
    /* Update the operate time, no matter the actual Post success or not */ 
    OsSemDbgTimeUpdateHook(semHandle); 
 
    if (semPosted->semCount == OS_SEM_COUNT_MAX) {//當(dāng)前信號(hào)資源不能大于最大資源量 
        return LOS_ERRNO_SEM_OVERFLOW; 
    } 
    if (!LOS_ListEmpty(&semPosted->semList)) {//當(dāng)前有任務(wù)掛在semList上,要去喚醒任務(wù) 
        resumedTask = OS_TCB_FROM_PENDLIST(LOS_DL_LIST_FIRST(&(semPosted->semList)));//semList上面掛的都是task->pendlist節(jié)點(diǎn),取第一個(gè)task下來喚醒 
        resumedTask->taskSem = NULL;//任務(wù)不用等信號(hào)了,重新變成NULL值 
        OsTaskWake(resumedTask);//喚醒任務(wù),注意resumedTask一定不是當(dāng)前任務(wù),OsTaskWake里面并不會(huì)自己切換任務(wù)上下文,只是設(shè)置狀態(tài) 
        if (needSched != NULL) {//參數(shù)不為空,就返回需要調(diào)度的標(biāo)簽 
            *needSched = TRUE;//TRUE代表需要調(diào)度 
        } 
    } else {//當(dāng)前沒有任務(wù)掛在semList上, 
        semPosted->semCount++;//信號(hào)資源多一個(gè) 
    } 
 
    return LOS_OK; 
} 
 
LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 LOS_SemPost(UINT32 semHandle) 
{ 
    UINT32 intSave; 
    UINT32 ret; 
    BOOL needSched = FALSE; 
 
    SCHEDULER_LOCK(intSave); 
    ret = OsSemPostUnsafe(semHandle, &needSched); 
        SCHEDULER_UNLOCK(intSave); 
    if (needSched) {//需要調(diào)度的情況 
        LOS_MpSchedule(OS_MP_CPU_ALL);//向所有CPU發(fā)送調(diào)度指令 
        LOS_Schedule();////發(fā)起調(diào)度 
    } 
 
    return ret; 
}

分析如下:

● 注意看在什么情況下 semPosted->semCount 才會(huì) ++ ,是在LOS_ListEmpty為真的時(shí)候,semList是等待這個(gè)信號(hào)量的任務(wù). semList上的任務(wù)是在OsTaskWait中掛入的.都在等這個(gè)信號(hào).

● 每次OsSemPost都會(huì)喚醒semList鏈表上一個(gè)任務(wù),直到semList為空.

● 掌握信號(hào)量的核心是理解 LOS_SemPend 和 LOS_SemPost

編程示例

本實(shí)例實(shí)現(xiàn)如下功能：

● 測試任務(wù)Example_TaskEntry創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量，鎖任務(wù)調(diào)度，創(chuàng)建兩個(gè)任務(wù)Example_SemTask1、Example_SemTask2,Example_SemTask2優(yōu)先級(jí)高于Example_SemTask1，兩個(gè)任務(wù)中申請同一信號(hào)量，解鎖任務(wù)調(diào)度后兩任務(wù)阻塞，測試任務(wù)Example_TaskEntry釋放信號(hào)量。

● Example_SemTask2得到信號(hào)量，被調(diào)度，然后任務(wù)休眠20Tick，Example_SemTask2延遲，Example_SemTask1被喚醒。

● Example_SemTask1定時(shí)阻塞模式申請信號(hào)量，等待時(shí)間為10Tick，因信號(hào)量仍被Example_SemTask2持有，Example_SemTask1掛起，10Tick后仍未得到信號(hào)量， Example_SemTask1被喚醒，試圖以永久阻塞模式申請信號(hào)量，Example_SemTask1掛起。

● 20Tick后Example_SemTask2喚醒，釋放信號(hào)量后，Example_SemTask1得到信號(hào)量被調(diào)度運(yùn)行，最后釋放信號(hào)量。

● Example_SemTask1執(zhí)行完，40Tick后任務(wù)Example_TaskEntry被喚醒，執(zhí)行刪除信號(hào)量，刪除兩個(gè)任務(wù)。

/* 任務(wù)ID */ 
static UINT32 g_testTaskId01; 
static UINT32 g_testTaskId02; 
/* 測試任務(wù)優(yōu)先級(jí) */ 
#define TASK_PRIO_TEST  5 
/* 信號(hào)量結(jié)構(gòu)體id */ 
static UINT32 g_semId; 
 
VOID Example_SemTask1(VOID) 
{ 
    UINT32 ret; 
 
    printf("Example_SemTask1 try get sem g_semId ,timeout 10 ticks.\n"); 
    /* 定時(shí)阻塞模式申請信號(hào)量，定時(shí)時(shí)間為10ticks */ 
    ret = LOS_SemPend(g_semId, 10); 
 
    /*申請到信號(hào)量*/ 
    if (ret == LOS_OK) { 
         LOS_SemPost(g_semId); 
         return; 
    } 
    /* 定時(shí)時(shí)間到，未申請到信號(hào)量 */ 
    if (ret == LOS_ERRNO_SEM_TIMEOUT) { 
        printf("Example_SemTask1 timeout and try get sem g_semId wait forever.\n"); 
        /*永久阻塞模式申請信號(hào)量*/ 
        ret = LOS_SemPend(g_semId, LOS_WAIT_FOREVER); 
        printf("Example_SemTask1 wait_forever and get sem g_semId .\n"); 
        if (ret == LOS_OK) { 
            LOS_SemPost(g_semId); 
            return; 
        } 
    } 
} 
 
VOID Example_SemTask2(VOID) 
{ 
    UINT32 ret; 
    printf("Example_SemTask2 try get sem g_semId wait forever.\n"); 
    /* 永久阻塞模式申請信號(hào)量 */ 
    ret = LOS_SemPend(g_semId, LOS_WAIT_FOREVER); 
 
    if (ret == LOS_OK) { 
        printf("Example_SemTask2 get sem g_semId and then delay 20ticks .\n"); 
    } 
 
    /* 任務(wù)休眠20 ticks */ 
    LOS_TaskDelay(20); 
 
    printf("Example_SemTask2 post sem g_semId .\n"); 
    /* 釋放信號(hào)量 */ 
    LOS_SemPost(g_semId); 
    return; 
} 
 
UINT32 ExampleTaskEntry(VOID) 
{ 
    UINT32 ret; 
    TSK_INIT_PARAM_S task1; 
    TSK_INIT_PARAM_S task2; 
 
   /* 創(chuàng)建信號(hào)量 */ 
    LOS_SemCreate(0,&g_semId); 
 
    /* 鎖任務(wù)調(diào)度 */ 
    LOS_TaskLock(); 
 
    /*創(chuàng)建任務(wù)1*/ 
    (VOID)memset_s(&task1, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S), 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S)); 
    task1.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_SemTask1; 
    task1.pcName       = "TestTsk1"; 
    task1.uwStackSize  = OS_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE; 
    task1.usTaskPrio   = TASK_PRIO_TEST; 
    ret = LOS_TaskCreate(&g_testTaskId01, &task1); 
    if (ret != LOS_OK) { 
        printf("task1 create failed .\n"); 
        return LOS_NOK; 
    } 
 
    /* 創(chuàng)建任務(wù)2 */ 
    (VOID)memset_s(&task2, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S), 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S)); 
    task2.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_SemTask2; 
    task2.pcName       = "TestTsk2"; 
    task2.uwStackSize  = OS_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE; 
    task2.usTaskPrio   = (TASK_PRIO_TEST - 1); 
    ret = LOS_TaskCreate(&g_testTaskId02, &task2); 
    if (ret != LOS_OK) { 
        printf("task2 create failed .\n"); 
        return LOS_NOK; 
    } 
 
    /* 解鎖任務(wù)調(diào)度 */ 
    LOS_TaskUnlock(); 
 
    ret = LOS_SemPost(g_semId); 
 
    /* 任務(wù)休眠40 ticks */ 
    LOS_TaskDelay(40); 
 
    /* 刪除信號(hào)量 */ 
    LOS_SemDelete(g_semId); 
 
    /* 刪除任務(wù)1 */ 
    ret = LOS_TaskDelete(g_testTaskId01); 
    if (ret != LOS_OK) { 
        printf("task1 delete failed .\n"); 
        return LOS_NOK; 
    } 
    /* 刪除任務(wù)2 */ 
    ret = LOS_TaskDelete(g_testTaskId02); 
    if (ret != LOS_OK) { 
        printf("task2 delete failed .\n"); 
        return LOS_NOK; 
    } 
 
    return LOS_OK; 
}

實(shí)例運(yùn)行結(jié)果:

Example_SemTask2 try get sem g_semId wait forever. 
Example_SemTask1 try get sem g_semId ,timeout 10 ticks. 
Example_SemTask2 get sem g_semId and then delay 20ticks . 
Example_SemTask1 timeout and try get sem g_semId wait forever. 
Example_SemTask2 post sem g_semId . 
Example_SemTask1 wait_forever and get sem g_semId .