第五節(jié)：同步與通信

一：同步

任務(wù)之間有各種各樣的關(guān)系來完成一個(gè)工作，有時(shí)候，一個(gè)任務(wù)的完成的齊納提需要另外一個(gè)任務(wù)給出的結(jié)果，任務(wù)之間的這種制約性的合作運(yùn)行機(jī)制叫做任務(wù)間的同步。

總例：

A任務(wù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能，B任務(wù)輸出A任務(wù)計(jì)算的結(jié)果，然后循環(huán)運(yùn)行。A任務(wù)和B任務(wù)就必須同步，否則B任務(wù)輸出的可能不是A任務(wù)剛完成的結(jié)果，或則B任務(wù)訪問結(jié)果時(shí)，A任務(wù)正在修改，因而輸出錯(cuò)誤的結(jié)果。A和B就是必須進(jìn)行同步的任務(wù)。

二：互斥：

例中，A,B任務(wù)都要訪問計(jì)算結(jié)果這個(gè)共享資源，當(dāng)時(shí)在A寫這個(gè)資源的同事，B必須等待，而不能再A寫到一半時(shí)候結(jié)束A而讓B來讀。這樣的共享資源成為臨界資源，這種訪問共享資源的排他性就是互斥。

臨界資源可以是全局變量，也可以是指針，緩沖區(qū)或鏈表等其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也可以是打印機(jī)，硬盤等硬件。

互斥訪問臨界資源，操作系統(tǒng)有很多方法， ucos采用的方法有  關(guān)中斷，給調(diào)度器上鎖 和使用信號量等（但是，操作共享資源的時(shí)候都要進(jìn)去臨界區(qū)）

三：臨界區(qū)

每個(gè)任務(wù)中訪問共享資源的那段程序成為臨界區(qū)，因?yàn)楣蚕碣Y源的訪問是要互斥的。

因?yàn)槿绻�在訪問共享資源的時(shí)候進(jìn)行任務(wù)切換，就可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果，在臨界區(qū)不允許任務(wù)切換，這是最根本的原則。----臨界區(qū)代碼要盡量短，能夠盡量在限定時(shí)間之內(nèi)完成。

所以在進(jìn)入臨界臨界區(qū)訪問共享資源之前，采用 關(guān)中斷，、給調(diào)度器上鎖或使用信號量的方法，達(dá)到互斥的目的。

例：

int functionl(int p1)

{

OS_ENTER_CRITICAL();    //進(jìn)入臨界區(qū)，不允許任務(wù)切換

訪問臨界區(qū)代碼段    //臨界區(qū)    臨界區(qū)代碼，訪問臨界資源

OS_EXIT_CRITICAL();    //離開臨界區(qū)，允許任務(wù)切換

其他代碼          //其他代碼，可以在這些代碼執(zhí)行期間進(jìn)行任務(wù)切換。

}

四：任務(wù)事件：

事件就是在操作系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)生的事情。

事件處理就是操作系統(tǒng)處理信號量，互斥信號量，時(shí)間表蜘蛛，郵箱，消息隊(duì)列信息的手段。

例：A任務(wù)寫緩沖區(qū)，B任務(wù)讀緩沖區(qū)。什么時(shí)候B任務(wù)應(yīng)該運(yùn)行呢？就是在A任務(wù)寫完緩沖區(qū)這個(gè)事件之后，需要調(diào)用OSSemPost()這樣的函數(shù)，釋放緩沖區(qū)資源。

在該函數(shù)中，發(fā)現(xiàn)有任務(wù)B在排隊(duì)等候緩沖區(qū)資源，于是調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)將cpu給B，達(dá)到了任務(wù)間的無縫同步。

事件處理的對象主要有：信號量，互斥信號量，時(shí)間表蜘蛛，郵箱，消息隊(duì)列。

信號量，郵箱，消息隊(duì)列是消息的來源。

來消息了是一個(gè)事件，等待消息也是在等待時(shí)間的發(fā)生。

例如：OSSemPost()函數(shù)的功能就是執(zhí)行的發(fā)信號量操作。

五：信號量：

信號量標(biāo)識了共享資源的有效被訪問數(shù)量，于是要獲得共享資源的訪問權(quán)，就首先要得到信號量。   

使用信號量管理共享資源，請求訪問資源就演變成為請求信號量了。

（因?yàn)橘Y源是具體的東西，把他數(shù)字化之后，操作系統(tǒng)就便于管理這些資源）

在ucos中，信號量的取值范圍是16位的二進(jìn)制整數(shù)，范圍是十進(jìn)制的0--65535.或者是其他長度，如8位，32位。

簡單使用信號量的3種操作：

1：建立creat

建立并且初始化信號量，在一個(gè)事件中標(biāo)識該信號，記錄該信號的量值。

2：請求pend

請求信號，如果還有信號量，就去請求一個(gè)，（信號量--）執(zhí)行下去，如果沒有，就要把自己阻塞掉（不能執(zhí)行下去就不需要占用cpu）

3：釋放post

訪問資源的操作完成之后（信號量++）.

例：A,B兩個(gè)任務(wù)通過信號量同步：   過程如下：

首先創(chuàng)建信號量S,因?yàn)樵摼彌_區(qū)本質(zhì)上是全局的一個(gè)數(shù)組，屬于臨界資源，因此設(shè)置信號量的初值為1。另外，該信號量使用一個(gè)事件控制塊。

A任務(wù)請求信號量S，做pend操作（請求）。

因?yàn)樾盘柫縎=1，所以請求得到滿足，pend操作中將S減1變?yōu)?.

任務(wù)A繼續(xù)執(zhí)行，訪問緩沖區(qū)。

繼

任務(wù)A在執(zhí)行過程中因?yàn)槠渌�的時(shí)間而阻塞，任務(wù)B得到運(yùn)行，要訪問緩沖區(qū)，因此請求信號量S，做pend操作。

因?yàn)樾盘柫縎=0，請求不能得到滿足，任務(wù)B只能被阻塞。S的值保持為0.

注：但是在信號量S所使用的時(shí)間控制模塊中，標(biāo)記了事件B在等待信號量S的信息。

任務(wù)A在滿足時(shí)繼續(xù)執(zhí)行，訪問緩沖區(qū)完成后，做post操作釋放緩沖區(qū)。

Post操作中將S加1，S的值變?yōu)?.

在post操作中，由于事件控制塊中，標(biāo)記了事件B在等待信號量S的信息，且我們設(shè)置任務(wù)B有更高的優(yōu)先級，操作系統(tǒng)調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)，切換到任務(wù)B運(yùn)行，使任務(wù)B獲得信號量，訪問A寫好的緩沖區(qū)。

任務(wù)B訪問完成，再釋放該信號量，任務(wù)A又可以訪問該緩沖區(qū)了。

六：互斥信號量：

是一種特殊的信號量（不僅在于該信號量只有用于互斥資源的訪問，還在于使用互斥信號量管理需要解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。）

優(yōu)先級反轉(zhuǎn)：
例： 系統(tǒng)中有三個(gè)任務(wù)，分別是高優(yōu)先級A、中優(yōu)先級B、低優(yōu)先級C：
當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級的任務(wù)在運(yùn)行時(shí)候訪問互斥資源，而中優(yōu)先級的任務(wù)運(yùn)行時(shí)將使低優(yōu)先級的任務(wù)得不到運(yùn)死抱著資源不放。
這時(shí)，高優(yōu)先級的任務(wù)開始運(yùn)行的時(shí)候，必須等待中優(yōu)先級的任務(wù)運(yùn)行完成，然后等待低優(yōu)先級任務(wù)的任務(wù)訪問資源完成才行。
如果在低優(yōu)先級的任務(wù)訪問資源過程中又有中優(yōu)先級任務(wù)運(yùn)行，那么高優(yōu)先級的任務(wù)只有繼續(xù)等待。這種情況叫優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。

在ucosii對互斥信號量的管理中，針對這個(gè)問題采用了優(yōu)先級繼承機(jī)制
優(yōu)先級繼承機(jī)制：是一種對占用資源的任務(wù)的優(yōu)先級進(jìn)行升級的機(jī)制，用以優(yōu)化系統(tǒng)的調(diào)度。

例：
當(dāng)前的任務(wù)的優(yōu)先級是比較低的。
高優(yōu)先級的任務(wù)請求互斥信號量的時(shí)候因?yàn)樾盘柫恳驯徽加校�所以只有阻塞。這時(shí)有中優(yōu)先級的任務(wù)就緒。

如果不采用優(yōu)先級繼承，那么高優(yōu)先級的任務(wù)是競爭不過中優(yōu)先級的任務(wù)。
采用優(yōu)先級繼承機(jī)制，將占有資源的低優(yōu)先級的任務(wù)臨時(shí)設(shè)置為一個(gè)很高的優(yōu)先級，允許其在占有資源的時(shí)候臨時(shí)獲得特權(quán)，先于中優(yōu)先級任務(wù)完成，在訪問互斥資源結(jié)束又回到原來的優(yōu)先級，這樣高優(yōu)先級的任務(wù)就會先于中優(yōu)先級的任務(wù)運(yùn)行，解決了這個(gè)問題。

七：事件標(biāo)志組：
1：多個(gè)事件都發(fā)生
2：多個(gè)事件中有一個(gè)事件發(fā)生
3：多個(gè)事件都沒有發(fā)生
  4：多個(gè)事件中有任何一個(gè)事件沒有發(fā)生。

如果任務(wù)要等待多個(gè)事件的發(fā)生，或多個(gè)事件中的某一個(gè)事件的發(fā)生就可以繼續(xù)運(yùn)行，那么應(yīng)該采用事件標(biāo)志組管理。
事件標(biāo)志組管理的條件組合可以是多個(gè)事件都發(fā)生，也可以是多個(gè)事件中有任何一個(gè)事件發(fā)生。尤其特別的是，還可以是多個(gè)事件都沒有發(fā)生或多個(gè)事件中有任何一個(gè)事件沒有發(fā)生。

八：消息郵箱和消息隊(duì)列
操作系統(tǒng)通過郵箱來管理人物間的通信與同步，郵箱中的內(nèi)容不是信件本身，而是指向消息內(nèi)容的地址。
注：消息的內(nèi)容不是消息本身而是地址（指針），指針?biāo)�指向的�?nèi)容才是任務(wù)想得到的東西。
這個(gè)指針是void類型的，可以指向任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。   這樣說發(fā)送的信息范圍也更寬，郵箱中可以容納下任何長度的數(shù)據(jù)。