优先级反转问题及常见解决方案
优先级反转问题以及解决方式
优先级反转问题以及解决方式优先级反转的问题是每一个实时操作系统所必须考虑到的问题，也是嵌入式软件面试所常提问的问题。
下面会详细阐述优先级反转产生的根源，以及解决方式。
首先来谈谈优先级反转问题的出现的方式。
下图是演示优先级反转出现的问题。
假设有3个任务task1 优先级最高，task2优先级其次，task3优先级最低。
假设task1 ，task2 分别阻塞在内核对象上比如queue等，然后轮到task3去运行,首先task3 获得了一个semaphore锁，然后运行了一段时间后，中断唤醒了task1,出中断的时候马上跑task1, 因为task1 的优先级高，然后task1也尝试去获得semaphore锁，但是task3 已经得到了这个锁，所以task1 只能睡眠，轮到task3 继续跑，这个时候中断唤醒了task2,出中断的时候轮到task2去跑，因为task2的优先级比task1要高。
task2 运行完了然后给task3 跑，task3 跑完了才轮到task1去跑。
以上的现象就是一个完整的优先级反转的问题出现的现象，整个逻辑貌似都是完全没有任何问题的，唯一的问题就是task2跑完了再去跑task1,也就是说task2插了一脚。
task2 的优先级比起task1 要低的，这样的话task1 要同时承受task2 和task3 跑完才能继续跑。
承受task3 跑完是没有任何争议的，因为临界区的原因，task1只能等task3跑完，但是task1等待task2 跑完确是不应该的，因为这两个任务之间毫无关系。
解决优先级反转的方式有两种，第一种是优先级置顶的方法，第二种是优先级继承的方法，详细请参考以下mutex章节。
Mutex工作原理以及应用mutex 的出现是为了解决优先级反转的问题，由于优先级反转对实时性影响太大，所以mutex 的稳定性直接影响了实时性。
纵观目前多种实时操作系统mutex 的设计原理是多多少少有一点问题的，很多rtos没有实现mutex优先级逐步还原的问题，导致了实时性以及其它的一些逻辑错误等等。
ucos ii优先级反转问题
在这里先假高已经创建了三个不同优先级的任务，任务0的优先级为5，任务1的优先级为6，任务2的优先级为7；在main（）函数里创建一个二值信号量；mutex=OSSemCreate(1);函数OSSemCreate()的参数值的范围为：0~65535；下面例子已经在程序里安排好时序了。
每个任务里都有足够长的延时。
任务0与任务2一起使用这个二值信号量；任务1只执行打印输出语句；当任务2在使用这个二值信号量时，任务1与任务0都处于就绪态，任务2的程序执行到延时挂起时，任务0就会被系统调度执行。
执行到申请信号量的函数OSSemPend()时，由于该二值信号量正被任务2使用，所以任务0没有申请到该资源，因而任务0被阻塞，然后被系统挂起，系统再次进行任务调度，此时任务1的优先级最高，所以任务1就会进入运行态。
当任务1被挂起时，就算任务0已经处于就绪态，但仍然要等任务2释放这个二值信号量才到运行。
这样就出现了，当一个共享资源被低优先级占用时，高优先级就得等这个低优先级的任务释放这个共享资源时才能进入运行态。
所以在上面出现了，任务1与任务2的优先级都比任务0的优先的情况。
这就是优先级反转问题。
下面补充一些资料－－摘自uC_OS-II内核实验指导书：1、OSSemCreate ();该函数建立并初始化一个信号量，信号量的作用如下：允许一个任务和其他任务或者中断同步取得设备的使用权标志事件的发生函数原型：OSSemCreate(INT16U value);参数说明：value是所建立的信号量的初始值，可以取0到65535之间的任意值。
返回值：OSSemCreate()函数返回指向分配给所建立的信号量的控制块的指针。
如果没有可用的控制块，OSSemCreate()函数返回空指针。
2、OSSemPend()该函数用于任务试图取得设备的使用权、任务需要和其他任务或中断同步、任务需要等待特定事件的发生场合。
如果任务调用OSSemPend()函数时，信号量的值大于零，OSSemPend()函数递减该值并返回该值。
优先级反转
优先级反转简介优先级反转是一种软件开发中常用的策略，在多任务处理和调度中起到了重要的作用。
它被广泛应用于实时操作系统、嵌入式系统、并行计算，以及其他需要有效管理资源和优化响应时间的领域。
本文将介绍优先级反转的概念、原理、应用以及可能的优缺点。
什么是优先级反转？优先级反转是一种任务调度的优化策略，它能够解决由于任务优先级导致的资源占用和响应时间问题。
在传统的优先级调度中，较高优先级的任务会抢占较低优先级任务的系统资源，这可能导致低优先级任务等待较长时间并丧失了及时完成的能力。
而优先级反转则通过动态调整任务的优先级来解决这个问题。
具体来说，当一个低优先级任务需要访问被高优先级任务占用的共享资源时，传统的优先级调度方式会保持低优先级，导致低优先级任务一直在等待。
而优先级反转则在这种情况下，将低优先级任务的优先级提升到高优先级任务之间的优先级，从而保证低优先级任务能够及时获得所需的资源。
原理与实现优先级反转的实现需要满足以下几个条件：1.任务具有不同的优先级。
2.存在共享资源，且资源可能被多个任务访问。
3.优先级反转的触发条件满足，即低优先级任务需要访问高优先级任务占用的资源。
基于上述条件，下面是一种常见的优先级反转实现方式：1.定义任务的优先级，较高的优先级对应着紧急任务，而较低的优先级对应着一般任务。
2.当一个低优先级任务需要访问由高优先级任务占用的共享资源时，它会发出请求。
3.操作系统内核会检测到请求，并将低优先级任务的优先级提升到与高优先级任务之间的优先级。
4.一旦低优先级任务完成了对共享资源的使用，它的优先级会恢复到原来的值。
这种实现方式能够避免低优先级任务长时间等待的问题，从而提高了系统的响应时间和整体效率。
实际应用优先级反转在实际应用中被广泛使用。
以下是一些常见的应用场景：1.实时操作系统：在实时操作系统中，任务的响应时间非常重要。
通过采用优先级反转策略，可以确保高优先级任务能够及时地获得所需的资源，从而满足实时性要求。
优先级反转的问题场景和解决方法
优先级反转的问题场景和解决方法优先级反转，这可真是个让人头疼的问题啊！想象一下，在一个复杂的系统中，低优先级的任务竟然阻碍了高优先级任务的执行，这简直就是乱套了呀！要解决优先级反转问题，一般可以采取优先级继承的方法。
具体来说，就是当一个低优先级任务阻塞了一个高优先级任务时，将低优先级任务的优先级临时提升到高优先级任务的级别。
这就好像在道路上，一辆慢悠悠的车挡住了着急赶路的车，那干脆就让慢悠悠的车也加速跑起来。
步骤其实并不复杂，首先要能识别到这种情况的发生，然后及时进行优先级的调整。
但这里面也有一些注意事项哦，比如要确保调整的准确性，不能乱提升优先级，不然整个系统的秩序不也乱套了嘛！同时，还要考虑到这种调整对其他任务的影响，不能引发新的问题呀。
在这个过程中，安全性和稳定性可太重要啦！如果调整不当，可能会导致系统崩溃或者出现不可预料的错误。
就好比走钢丝，必须小心翼翼地保持平衡，稍有不慎就会掉下去。
所以在实施过程中，要进行充分的测试和验证，确保不会出现意外情况。
那么优先级反转的解决方法都有哪些应用场景和优势呢？这可多了去啦！在实时系统中，比如航空航天、工业控制等领域，它能确保关键任务及时得到执行，避免出现严重后果。
优势也是显而易见的呀，它能提高系统的整体性能和可靠性，让系统运行得更加顺畅。
比如说在一个医疗设备中，如果因为优先级反转导致重要的数据采集或治疗操作被延迟，那后果简直不堪设想啊！曾经就有一个例子，在一个医院的监护系统中，由于优先级反转问题，导致对病人关键数据的采集延迟了几秒钟，虽然最后没有造成严重后果，但也让人惊出一身冷汗呀！这就充分说明了在实际应用中，解决优先级反转问题是多么重要。
总之，优先级反转问题不容小觑，我们必须要重视起来，采取有效的解决方法，确保系统的安全、稳定和高效运行呀！。
freertos优先级反转处理方法
freertos优先级反转处理方法
FreeRTOS的优先级反转问题是指当一个低优先级的任务阻塞
一个高优先级的任务，从而导致高优先级任务无法运行的问题。
为了解决这个问题，FreeRTOS提供了两种解决方案：
1. 优先级继承（Priority Inheritance）
在优先级继承解决方案中，当一个低优先级任务获取了一个高优先级任务需要使用的资源时，会将其优先级提升到高优先级任务的优先级，直到释放该资源。
这样可以保证高优先级任务不会因为低优先级任务的阻塞而出现优先级反转的问题。
2. 优先级屏蔽（Priority Ceiling）
在优先级屏蔽解决方案中，每个任务都有一个优先级屏蔽值，表示该任务最高可以处理的中断优先级。
当一个任务获取了一个共享资源时，会提升其优先级屏蔽值到该资源的最高访问中断优先级，这样可以保证如果高优先级任务需要访问该资源，它的中断优先级会被限制在该资源的最高访问中断优先级以下，从而避免了优先级反转的问题。
需要注意的是，优先级继承和优先级屏蔽都会增加系统的开销，因此应该根据实际需求选择适合的解决方案。
实验3天花板协议综述
优先级天花板协议
• 每个信号量有个优先级天花板，应大于所有使用 该信号量的任务的最高优先级。
优先级天花板的主要思想
S被任务B占用，任务A被挂起 Y N Priority(B)<Priority( A)? Y 提升B的优先级到天花板 ．．．．．． 任务A获得共享资源S 任务A继续执行 ．．．．．． S是否被占用 任务A申请共享资源S
嵌入式操作系统实验
实验1 多任务的基本管理
什么是优先级反转 本实验内容
实验要求
实验要求
1. 调试代码，运行结果截图 2. 通过分析程序结果，说明什么时候抬升了天花板。 3. 利用互斥信号量改写实验2的程序，将改写代码以 及运行结果截图写在实验报告扩展部分
void Task (void *pdata) { …… for (;;) { /* 无限循环 */ …… OSMutexPend(mutex, 0, &err); /*申请资源*/ OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 200); /*保持资源*/ OSMutexPost(mutex); /*释放资源*/ OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, (3-id)*150); /*延时*/ …… } }
本实验内容
优先级反转解决办法
• 优先级继承协议 （priority inheritance protocol） • 优先级天花板协议 （priority ceiling protocol）
优先级继承协议基本思想
• 当一个任务阻塞了一个或多个高优先级任务时， 该任务将不使用其原来的优先级，而使用被该任 务所阻塞的所有任务的最高优先级作为其执行临 界区的优先级。 • 当该任务退出临界区时，又恢复到其最初的优先 级。
实时控制系统中优先级反转问题的解决方法
多 种 基 于 Ｃ／ Ｓ Ｉ设 计 的 产 品 已 经 证 明 了 ｔ Ｏ — Ｏ —Ｉ Ｌ Ｃ／ Ｓ
Ｉ Ｉ内 核 的 稳 定 性 ， 安 全 性 和 稳 定 性 已 通 过 美 国 Ｆ Ａ 其 Ａ
认证 。
Ｔ１ １２ 、
￣ ／ — Ｉ操 作 系 统 同 时 也 是 可 剥 夺 型 内 核 ， Ｃ ＯＳ Ｉ 以保 证
种方法， 互斥信号 即
级 反 转 的 发 生 有 效 地 限 制 在 一 个 层 次 上 ， 解 了优 先 级 反 转 现 象 的 发 生 。 降
关 键 词 ：嵌 入 式 控 制 系 统 ； 先 级 反 转 ； 先 级 置 顶 ； 先 级 继 承 优 优 优
中 图 分 类 号 ：Ｔ ３ ６ ２ Ｐ １ ． 文 献 标 识 码 ：Ａ
4-优先级反转
实验4 优先级反转1 实验目的掌握在基于优先级的可抢占嵌入式实时操作系统的应用中，出现优先级反转现象的原理。
2 原理及程序结构2.1 实验设计2.1.1 优先级反转原理在本实验中，要体现嵌入式实时内核的优先级抢占调度的策略，并显现由于共享资源的互斥访问而出现的优先级反转现象。
优先级反转发生在有多个任务需要使用共享资源的情况下，可能会出现高优先级任务被低优先级任务阻塞，并等待低优先级任务执行的现象。
高优先级任务需要等待低优先级任务释放资源，而低优先级任务又正在等待中等优先级任务，这种现象就被称为优先级反转。
两个任务都试图访问共享资源是出现优先级反转最通常的情况。
为了保证一致性，这种访问应该是顺序进行的。
如果高优先级任务首先访问共享资源，则会保持共享资源访问的合适的任务优先级顺序；但如果是低优先级任务首先获得共享资源的访问，然后高优先级任务请求对共享资源的访问，则高优先级任务被阻塞，直到低优先级任务完成对共享资源的访问。
2.1.2 设计要点1）设计了3个应用任务TA0～TA2，其优先级逐渐降低，任务TA0的优先级最高。
2）除任务TA1外，其它应用任务都要使用同一种资源，该资源必须被互斥使用。
为此，创建一个二值信号量mutex来模拟该资源。
虽然μC/OS-Ⅱ在创建信号量时可以选择采用防止优先级反转的策略，但在本实验中我们不使用这种策略。
3）应用任务的执行情况如图2-1所示：任务2任务1 任务0图2-1注意：图中的栅格并不代表严格的时间刻度，而仅仅表现各个任务启动和执行的相对先后关系。
2.1.3 系统的运行流程1） 系统初始化，之后进入main 函数；2） 在main 函数中，首先创建一个二值的信号量mutex ；3） 在main 函数中创建TaskStart 任务，由TaskStart 任务创建所有的应用任务（Task0、Task1、Task2）。
优先级较高的任务Task0、Task1先延时若干个时钟节拍，以便低优先级任务Task2运行。
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优先级反转分析
一．优先级反转
优先级反转（Priority Inversion），是由于多任务共享资源，具有最高优先级的任务被低优先级任务祖册，反而使得具有中优先级的任务先于高优先级的任务执行，影响系统的实时性，甚至导致系统崩溃。
具体说明如下：
假设系统中有Task1、Task2、Task3三个任务，分别对应高、中、低三个优先级（如图1所示）。
某一时刻系统的状态如下：
T1：Task1和Task2正在等待某一事件的发生，处于挂起状态，Task3正在执行。
T2：Task1等待的事件发生，Task1剥夺Task3的CPU使用权开始执行，Task3被阻塞。
T3:Task1执行到某一时刻，需要申请Task3使用且还未释放的资源。
则Task1挂起，Task3 开始执行。
T4：Task3执行过程中，Task2进入就绪态，剥夺Task3的CPU使用权开始执行。
T5：Task2执行完，Task3开始执行
T6：Task3执行完，释放资源，Task1开始执行。
从上述过程中，可以看出Task1必须等待Task3执行完毕，释放资源之后才能得到该资源的使用权继续执行。
这种情况下，Task1的优先级实际降到了Task3的优先级水平。
在此过程中，处于中间优先级的Task2剥夺了Task3的CPU使用权，使Task1的状况恶化，即Task2使得Task1增加了额外的时间延迟，也就是Task1和Task2的优先级发生了反转。
在更坏的情况下，如Task1和Task3之间有多个这样的“Task2”存在，这样的优先级反转问题可能会导致整个系统的崩溃。
一些RTOS使用”优先级继承“解决这个问题：即在低优先级进程持有信号量，并且高优先级进程在等待该信号量时，将低优先级进程提高到与高优先级进程相同。
二．常见解决方案
优先级继承和优先级天花板：
如果任务之间由于有共享资源出现了竞争或者死锁，是会严重影响系统安全的。
因此uC／OS对共享资源提供了保护机制。
一般情况下使用的是信号量方法。
创建一个信号量并对他进行初始化，当一个任务需要使用一个共享资源时，他必须先申请得到这个信号量。
在这个过程中即使有优先权更高的任务进入了就绪态，因为无法得到信号量，也不能使用该资源。
在uC／OS中称为优先级反转。
简单地说，就是高优先级任务必须等待低优先级任务的完成。
优先级天花板策略(Priority ceilings): 优先级天花板是指将申请（占有）某资源的任务的优先级提升到可能访问该资源的所有任务中最高优先级任务的优先级.(这个优先级称为该资源的优先级天花板) 。
在上述例子中体现为当低优先级任务申请占有某资源时就将这个低优先级任务的优先级升为能访问该资源的所有任务中最高优先级任务的优先级
优先级继承策略对任务执行流程的影响相对较小，因为只有当高优先级任务申请已被低优先级任务占有的临界资源这一事实发生时，才抬升低优先级任务的优先级。
而天花板策略是谁占有就直接升到最高。