4.6 互斥锁

概述

基本概念

互斥锁又称互斥型信号量，是一种特殊的二值性信号量，用于实现对共享资源的独占式处理。

任意时刻互斥锁的状态只有两种，开锁或闭锁。当有任务持有时，互斥锁处于闭锁状态，这个任务获得该互斥锁的所有权。当该任务释放它时，该互斥锁被开锁，任务失去该互斥锁的所有权。当一个任务持有互斥锁时，其他任务将不能再对该互斥锁进行开锁或持有。

多任务环境下往往存在多个任务竞争同一共享资源的应用场景，互斥锁可被用于对共享资源的保护从而实现独占式访问。另外，互斥锁可以解决信号量存在的优先级翻转问题。

Huawei LiteOS提供的互斥锁具有如下特点：

  • 通过优先级继承算法，解决优先级翻转问题。

运作机制

互斥锁运作原理

多任务环境下会存在多个任务访问同一公共资源的场景，而有些公共资源是非共享的，需要任务进行独占式处理。互斥锁怎样来避免这种冲突呢？

用互斥锁处理非共享资源的同步访问时，如果有任务访问该资源，则互斥锁为加锁状态。此时其他任务如果想访问这个公共资源则会被阻塞，直到互斥锁被持有该锁的任务释放后，其他任务才能重新访问该公共资源，此时互斥锁再次上锁，如此确保同一时刻只有一个任务正在访问这个公共资源，保证了公共资源操作的完整性。

互斥锁运作示意图
4.6.互斥锁 - 图1

开发指导

使用场景

互斥锁可以提供任务之间的互斥机制，用来防止两个任务在同一时刻访问相同的共享资源。

功能

Huawei LiteOS 系统中的互斥锁模块为用户提供下面几种功能。

功能分类 接口名 描述
互斥锁的创建和删除 LOS_MuxCreate 创建互斥锁
LOS_MuxDelete 删除指定的互斥锁
互斥锁的申请和释放 LOS_MuxPend 申请指定的互斥锁
LOS_MuxPost 释放指定的互斥锁

开发流程

互斥锁典型场景的开发流程：

  1. 创建互斥锁LOS_MuxCreate。

  2. 申请互斥锁LOS_MuxPend。

    申请模式有三种：无阻塞模式、永久阻塞模式、定时阻塞模式。

    • 无阻塞模式：任务需要申请互斥锁，若该互斥锁当前没有任务持有，或者持有该互斥锁的任务和申请该互斥锁的任务为同一个任务，则申请成功。

    • 永久阻塞模式：任务需要申请互斥锁，若该互斥锁当前没有被占用，则申请成功。否则，该任务进入阻塞态，系统切换到就绪任务中优先级最高者继续执行。任务进入阻塞态后，直到有其他任务释放该互斥锁，阻塞任务才会重新得以执行。

    • 定时阻塞模式：任务需要申请互斥锁，若该互斥锁当前没有被占用，则申请成功。否则该任务进入阻塞态，系统切换到就绪任务中优先级最高者继续执行。任务进入阻塞态后，指定时间超时前有其他任务释放该互斥锁，或者用户指定时间超时后，阻塞任务才会重新得以执行。

  3. 释放互斥锁LOS_MuxPost。

    • 如果有任务阻塞于指定互斥锁，则唤醒最早被阻塞的任务，该任务进入就绪态，并进行任务调度；

    • 如果没有任务阻塞于指定互斥锁，则互斥锁释放成功。

  4. 删除互斥锁LOS_MuxDelete。

互斥锁错误码

对互斥锁存在失败的可能性操作，包括互斥锁创建，互斥锁删除，互斥锁申请，互斥锁释放。

序号 定义 实际数值 描述 参考解决方案
1 LOS_ERRNO_MUX_NO_MEMORY 0x02001d00 内存请求失败 减少互斥锁限制数量的上限
2 LOS_ERRNO_MUX_INVALID 0x02001d01 互斥锁不可用 传入有效的互斥锁的ID
3 LOS_ERRNO_MUX_PTR_NULL 0x02001d02 入参为空 确保入参可用
4 LOS_ERRNO_MUX_ALL_BUSY 0x02001d03 没有互斥锁可用 增加互斥锁限制数量的上限
5 LOS_ERRNO_MUX_UNAVAILABLE 0x02001d04 锁失败，因为锁被其他线程使用 等待其他线程解锁或者设置等待时间
6 LOS_ERRNO_MUX_PEND_INTERR 0x02001d05 在中断中使用互斥锁 在中断中禁止调用此接口
7 LOS_ERRNO_MUX_PEND_IN_LOCK 0x02001d06 任务调度没有使能，线程等待另一个线程释放锁 设置PEND为非阻塞模式或者使能任务调度
8 LOS_ERRNO_MUX_TIMEOUT 0x02001d07 互斥锁PEND超时 增加等待时间或者设置一直等待模式
9 LOS_ERRNO_MUX_OVERFLOW 0x02001d08 暂未使用，待扩展 无
10 LOS_ERRNO_MUX_PENDED 0x02001d09 删除正在使用的锁 等待解锁再删除锁
11 LOS_ERRNO_MUX_GET_COUNT_ERR 0x02001d0a 暂未使用，待扩展 无
12 LOS_ERRNO_MUX_REG_ERROR 0x02001d0b 暂未使用，待扩展 无

错误码定义： 错误码是一个32位的存储单元，31~24位表示错误等级，23~16位表示错误码标志，15~8位代表错误码所属模块，7~0位表示错误码序号，如下 

  1. #define LOS_ERRNO_OS_ERROR(MID, ERRNO)  \
  2. (LOS_ERRTYPE_ERROR | LOS_ERRNO_OS_ID | ((UINT32)(MID) << 8) | (ERRNO))
  3. LOS_ERRTYPE_ERROR：Define critical OS errors
  4. LOS_ERRNO_OS_ID：OS error code flag
  5. LOS_MOD_MUX：Mutex module ID
  6. MID：OS_MOUDLE_ID
  7. ERRNO：error ID number

例如： 

  1. LOS_ERRNO_MUX_TIMEOUT       LOS_ERRNO_OS_ERROR(LOS_MOD_MUX, 0x07)

平台差异性

无。

注意事项

  • 两个任务不能对同一把互斥锁加锁。如果某任务对已被持有的互斥锁加锁，则该任务会被挂起，直到持有该锁的任务对互斥锁解锁，才能执行对这把互斥锁的加锁操作。

  • 互斥锁不能在中断服务程序中使用。

  • Huawei LiteOS作为实时操作系统需要保证任务调度的实时性，尽量避免任务的长时间阻塞，因此在获得互斥锁之后，应该尽快释放互斥锁。

  • 持有互斥锁的过程中，不得再调用LOS_TaskPriSet等接口更改持有互斥锁任务的优先级。

编程实例

实例描述

本实例实现如下流程。

  1. 任务Example_TaskEntry创建一个互斥锁，锁任务调度，创建两个任务Example_MutexTask1、Example_MutexTask2,Example_MutexTask2优先级高于Example_MutexTask1，解锁任务调度。

  2. Example_MutexTask2被调度，永久申请互斥锁，然后任务休眠100Tick，Example_MutexTask2挂起，Example_MutexTask1被唤醒。

  3. Example_MutexTask1申请互斥锁，等待时间为10Tick，因互斥锁仍被Example_MutexTask2持有，Example_MutexTask1挂起，10Tick后未拿到互斥锁，Example_MutexTask1被唤醒，试图以永久等待申请互斥锁，Example_MutexTask1挂起。

  4. 100Tick后Example_MutexTask2唤醒， 释放互斥锁后，Example_MutexTask1被调度运行，最后释放互斥锁。

  5. Example_MutexTask1执行完，300Tick后任务Example_TaskEntry被调度运行，删除互斥锁。

编程示例

前提条件：

  • 在los_config.h中，将LOSCFG_BASE_IPC_MUX配置项打开。

  • 配好LOSCFG_BASE_IPC_MUX_LIMIT最大的互斥锁个数。

代码实现如下：

  1. /*互斥锁句柄ID*/
  2. static UINT32 g_Testmux01;
  5. /*任务PID*/
  6. UINT32 g_TestTaskID01;
  7. UINT32 g_TestTaskID02;
  10. static VOID Example_MutexTask1()
  11. {
  12.     UINT32 uwRet;
  14.     dprintf("task1 try to get mutex, wait 10 Tick.\n");
  15.     /*申请互斥锁*/
  16.     uwRet=LOS_MuxPend(g_Testmux01, 10);
  18.     if(uwRet == LOS_OK)
  19.     {
  20.         dprintf("task1 get mutex g_Testmux01.\n");
  21.         /*释放互斥锁*/
  22.         LOS_MuxPost(g_Testmux01);
  23.         return;
  24.     }
  25.     else if(uwRet == LOS_ERRNO_MUX_TIMEOUT )
  26.     {
  27.         dprintf("task1 timeout and try to get  mutex, wait forever.\n");
  28.         /*LOS_WAIT_FOREVER方式申请互斥锁,获取不到时程序阻塞，不会返回*/
  29.         uwRet = LOS_MuxPend(g_Testmux01, LOS_WAIT_FOREVER);
  30.         if(uwRet == LOS_OK)
  31.         {
  32.             dprintf("task1 wait forever,got mutex g_Testmux01 success.\n");
  33.             /*释放互斥锁*/
  34.             LOS_MuxPost(g_Testmux01);
  35.             uwRet = LOS_InspectStatusSetByID(LOS_INSPECT_MUTEX,LOS_INSPECT_STU_SUCCESS);
  36.             if (LOS_OK != uwRet)  
  37.             {
  38.                 dprintf("Set Inspect Status Err\n");
  39.             }
  40.             return;
  41.         }
  42.     }
  43.     return;
  44. }
  46. static VOID Example_MutexTask2()
  47. {
  48.     UINT32 uwRet;
  50.     dprintf("task2 try to get mutex, wait forever.\n");
  51.     /*申请互斥锁*/
  52.     uwRet=LOS_MuxPend(g_Testmux01, LOS_WAIT_FOREVER);
  53.     if(uwRet != LOS_OK)
  54.     {
  55.         dprintf("task2 LOS_MuxPend failed .\n");
  56.         return;
  57.     }
  59.     dprintf("task2 get mutex g_Testmux01 and suspend 100 Tick.\n");
  61.     /*任务休眠100 Tick*/
  62.     LOS_TaskDelay(100);
  64.     dprintf("task2 resumed and post the g_Testmux01\n");
  65.     /*释放互斥锁*/
  66.     LOS_MuxPost(g_Testmux01);
  67.     return;
  68. }
  70. UINT32 Example_MutexLock(VOID)
  71. {
  72.     UINT32 uwRet;
  73.     TSK_INIT_PARAM_S stTask1;
  74.     TSK_INIT_PARAM_S stTask2;
  76.     /*创建互斥锁*/
  77.     LOS_MuxCreate(&g_Testmux01);
  79.     /*锁任务调度*/
  80.     LOS_TaskLock();
  82.     /*创建任务1*/
  83.     memset(&stTask1, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
  84.     stTask1.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_MutexTask1;
  85.     stTask1.pcName       = "MutexTsk1";
  86.     stTask1.uwStackSize  = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
  87.     stTask1.usTaskPrio   = 5;
  88.     uwRet = LOS_TaskCreate(&g_TestTaskID01, &stTask1);
  89.     if(uwRet != LOS_OK)
  90.     {
  91.         dprintf("task1 create failed .\n");
  92.         return LOS_NOK;
  93.     }
  95.     /*创建任务2*/
  96.     memset(&stTask2, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));
  97.     stTask2.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_MutexTask2;
  98.     stTask2.pcName       = "MutexTsk2";
  99.     stTask2.uwStackSize  = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
  100.     stTask2.usTaskPrio   = 4;
  101.     uwRet = LOS_TaskCreate(&g_TestTaskID02, &stTask2);
  102.     if(uwRet != LOS_OK)
  103.     {
  104.         dprintf("task2 create failed .\n");
  105.         return LOS_NOK;
  106.     }
  108.     /*解锁任务调度*/
  109.     LOS_TaskUnlock();
  110.     /*任务休眠300 Tick*/
  111.     LOS_TaskDelay(300);
  113.     /*删除互斥锁*/
  114.     LOS_MuxDelete(g_Testmux01);
  116.     return LOS_OK;
  117. }

结果验证

编译运行得到的结果为：
4.6.互斥锁 - 图2