优先级反转+解决方案
优先级反转和死锁的资源管理模式研究与实现
优先级反转和死锁的资源管理模式研究与实现
王 溪 波 ， 杨 丽 娜
（ 阳工业 大学 信 息科 学 与工程 学 院，辽 宁 沈 阳 １０ ７ ） 沈 １８ ０
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计算机实时操作系统的改善措施
《计算机实时操作系统的改善措施》摘要：实时系统在工业、商业和军事等领域都有非常广泛的用途，并且已经有很多实际的应用。
一般来说，实时系统通常是比较复杂的，因为它必须处理很多并发事件的输入数据流，这些事件的到来次序和几率通常是不可预测的，而且还要求系统必须在事先设定好的时限内做出相应的响应。
因此，实时操作系统的实时性是第一要求，需要调度一切可利用的资源完成实时任务。
这就要求我们设计好实时操作系统，了解实时操作系统的改善措施对我们非常重要。
关键字：实时操作系统；特点；实现技术；改善措施。
一、计算机实时操作系统的概念实时操作系统（RTOS）是指当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。
因而，提供及时响应和高可靠性是其主要特点。
实时操作系统有硬实时和软实时之分，硬实时要求在规定的时间内必须完成操作，这是在操作系统设计时保证的；软实时则只要按照任务的优先级，尽可能快地完成操作即可。
我们通常使用的操作系统在经过一定改变之后就可以变成实时操作系统。
二、实时操作系统的特点1、高精度计时系统计时精度是影响实时性的一个重要因素。
在实时应用系统中，经常需要精确确定实时地操作某个设备或执行某个任务，或精确的计算一个时间函数。
这些不仅依赖于一些硬件提供的时钟精度，也依赖于实时操作系统实现的高精度计时功能。
2、多级中断机制一个实时应用系统通常需要处理多种外部信息或事件，但处理的紧迫程度有轻重缓急之分。
有的必须立即作出反应，有的则可以延后处理。
因此，需要建立多级中断嵌套处理机制，以确保对紧迫程度较高的实时事件进行及时响应和处理。
3、实时调度机制实时操作系统不仅要及时响应实时事件中断，同时也要及时调度运行实时任务。
但是，处理机调度并不能随心所欲的进行，因为涉及到两个进程之间的切换，只能在确保“安全切换”的时间点上进行，实时调度机制包括两个方面，一是在调度策略和算法上保证优先调度实时任务；二是建立更多“安全切换”时间点，保证及时调度实时任务。
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。
堆栈适合解决处理顺序与输入顺序相反的问题
1.什么是堆栈？堆栈（Stack）是一种线性数据结构，具有后进先出（LIFO, Last In First Out）的特点。
这意味着，最后添加到堆栈中的元素，将是第一个被移除的元素。
堆栈通常使用数组或链表来实现。
在堆栈中，只有一端（称为栈顶）可以进行插入或删除操作。
堆栈只定义了两种基本操作：入栈（Push）和出栈（Pop）。
堆栈的应用非常广泛，它可以用于计算机科学、工程学和其他领域中的各种问题。
例如，堆栈可以用于计算表达式的值，存储程序调用时的参数和返回地址，以及维护浏览器的历史记录等。
2.堆栈的基本操作堆栈的基本操作包括入栈（Push）和出栈（Pop）。
入栈操作（Push）：将一个元素添加到堆栈的栈顶。
出栈操作（Pop）：移除堆栈的栈顶元素，并返回该元素的值。
堆栈还可以定义其他操作，例如查看栈顶元素（Peek）、判断堆栈是否为空（IsEmpty）、清空堆栈（Clear）等。
下面是一个简单的堆栈类的示例，它实现了上述基本操作：class Stack:def__init__(self):self.items = []def is_empty(self):return self.items == []def push(self, item):self.items.append(item)def pop(self):return self.items.pop()def peek(self):return self.items[-1]def size(self):return len(self.items)3.为什么堆栈适合解决处理顺序与输入顺序相反的问题？堆栈的后进先出（LIFO）的特点使它特别适合解决处理顺序与输入顺序相反的问题。
例如，在计算机科学中，堆栈常常被用来解决表达式求值的问题。
表达式求值是指计算给定的算术表达式的值。
在计算表达式的值时，我们需要考虑运算符的优先级。
例如，在计算“1 + 2 * 3” 的值时，我们应该先乘法（），再加法（+），因为乘法（）的优先级比加法（+）高。
优先编码器的优先级反向
优先编码器的优先级反向引言在计算机科学领域中，编码器是将一种数据表示形式转换为另一种数据表示形式的算法或设备。
编码器在各种应用中都发挥着重要的作用，例如数据压缩、图像处理和语音识别等。
在处理数据时，编码器的优先级反向指的是在使用不同的编码器时，优先级的顺序发生了反转。
本文将深入探讨优先编码器的优先级反向现象及其可能的原因和影响。
优先编码器的优先级反向现象什么是优先编码器在理解优先编码器的优先级反向之前，首先需要理解什么是优先编码器。
通常情况下，优先编码器指的是在处理数据时，系统会优先选择某种特定的编码器来进行数据转换。
这个选择通常基于一些确定性因素，例如编码器的效率、准确性或者处理速度等。
优先编码器的优先级反向定义当优先编码器的优先级反向时，即系统在进行数据转换时，不再优先选择之前设定的编码器。
相反，其他编码器被优先选择，而原本的优先编码器处于次优先的位置。
优先编码器优先级反向的可能原因优先编码器的优先级反向可能由多种原因引起。
其中一种常见的原因是性能差异。
当原本设定的优先编码器的性能无法达到实际需求时，系统可能会自动选择其他编码器来替代。
另外，技术发展的进步也可能导致优先编码器的优先级反向，因为新的编码器可能具有更高的效率和准确性，进而被系统优先选用。
优先编码器优先级反向的影响优先编码器的优先级反向对系统和应用都可能产生一系列的影响。
首先是性能影响，原本的优先编码器未被优先选择，可能导致数据转换的速度变慢或者准确性下降。
其次是适应性的影响，如果系统能够及时调整优先编码器的选择，能够更好地适应不同环境下的需求。
最后，用户体验的影响也是一个重要的方面，如果优先编码器的优先级反向导致用户体验的下降，可能会对系统的可接受程度产生负面影响。
优先编码器优先级反向的解决方案动态优先级调整为了解决优先编码器优先级反向带来的问题，可以引入动态优先级调整的机制。
这种机制可以根据当前的应用场景和需求自动调整优先编码器的选择。
关于RTOS抢占式调度及优先级反转的几点探讨
关键 词： 实时操作 系统 ；抢 占式 ；优 先级反 转； 资 源共 享；优 先级继 承；优 先 级封 顶
中图法分类 号 ： Ｐ １， Ｔ ３６２
文 献标 识码 ： Ａ
文章 编号 ：０ ０７ ２ （０ ７ １—７ ９０ １０—０４ ２ ０ ） ９４ １—２
Ｓ ｍｅ ｒ ｂ ｓ ｎ ｏｐ ｅ ｍｐｉｅ ｒ ｒ ｙｓ ｈ ｄ ｌ ｇａ ｄｐ ｏ ｔ ｖ ｒｉｎ ｏ ｏ ｅ ｔ ｒｅ ｔ ｉ ｉ ｃ ｅ ｕｉ ｎ ｒ ｒ ｉ ｅｓ ｐ ｉ ｖｐｏｔ ｎ ｉｉ ｎ ｙ ｏ
资源将 会 大大提 高 系统 的性 能 。而解 决优先 级反转 问题将 保证 系统共 享 资源 的合 理使 用和 多任务 的正 常运行 。在对 Ｒ Ｏ ＴＳ
抢 占式 调 度 策 略 的 研 究 的 基 础 上 ，指 出 了什 么 是 优 先 级 反 转 ，以及 问题 发 生 的 原 因 ，并 给 出 了优 先 级 继 承 和 优 先 级 封 顶 的
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第２卷 ８
ＶＯ１ ２８ ．
第 ｌ 期 ９
Ｎ Ｏ． ９ １
计 算 机 工 程 与 设 计
Ｃｏ ｕ ｅ ｇｎ ｅ ｉｇａ ｄＤ ｅｉ ｎ ｍｐ ｔｒ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ｎ ｓｇ
２０ 年 １ 月 ０７ ０
Ｏｃ ．２ ０ ｔ ０ ７
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Ｓ ＯＮＧ ｅ ｇ ｍ ｏ Ｆ ｎ —
（ ｒｄ ａｅ ｃｏ ｌ ｈｎｓ ｃｄｍｙｏ ｉ ｃｓ ｅ ｉｇ１０ ３ ，Ｃ ｉ ） Ｇ ａｕｔ Ｓ ｈ ｏ，Ｃ ｉｅｅ ａｅ ｆ ｃｅ ｅ，Ｂ ｉｎ ０ ０ ９ ｈｎ Ａ Ｓ ｎ ｊ ａ
基 于 优 先 级 的抢 占式 调 度 策 略 具 有 以下 特 点 ： 每 个 任 ① 务赋予一个优先 级别； 假如几个任 务同时处于就绪状态 ， ② 优
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优先级反转+解决方案
1. 优先级反转(Priority Inversion)
由于多进程共享资源，具有最高优先权的进程被低优先级进程阻塞，反而使具有中优先级的进程先于高优先级的进程执行，导致系统的崩溃。
这就是所谓的优先级反转(Priority Inversion)。
2. 产生原因
其实,优先级反转是在高优级(假设为A)的任务要访问一个被低优先级任务(假设为C)占有的资源时,被阻塞.而此时又有优先级高于占有资源的任务(C)而低于被阻塞的任务(A)的优先级的任务(假设为B)时,于是,占有资源的任务就被挂起(占有的资源仍为它占有),因为占有资源的任务优先级很低,所以,它可能一直被另外的任务挂起.而它占有的资源也就一直不能释放,这样,引起任务A一直没办法执行.而比它优先低的任务却可以执行.
所以,一个解决办法就是提高占有资源任务的优先级,让它正常执行,然后释放资源,以让任务A能正常获取资源而得以执行.
3. 解决方案( 优先级继承/ 优先级天花板)
目前解决优先级反转有许多种方法。
其中普遍使用的有2种方法：一种被称作优先级继承(priority inheritance)；另一种被称作优先级极限(priority ceilings)。
A. 优先级继承(priority inheritance)
优先级继承是指将低优先级任务的优先级提升到等待它所占有的资源的最高优先级任务的优先级.当高优先级任务由于等待资源而被阻塞时,此时资源的拥有者的优先级将会自动被提升.
B. 优先级天花板(priority ceilings)
优先级天花板是指将申请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)
A 和B的区别:
优先级继承,只有当占有资源的低优先级的任务被阻塞时,才会提高占有资源任务的优先级,而优先级天花板,不论是否发生阻塞,都提升.。