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。

图 1 互斥锁运作示意图

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。

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中优先级最高的，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。

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，如下所示：

#define LOS_ERRNO_OS_ERROR(MID, ERRNO)  \
(LOS_ERRTYPE_ERROR | LOS_ERRNO_OS_ID | ((UINT32)(MID) << 8) | (ERRNO))
LOS_ERRTYPE_ERROR：Define critical OS errors
LOS_ERRNO_OS_ID：OS error code flag
LOS_MOD_MUX：Mutex module ID
MID：OS_MOUDLE_ID
ERRNO：error ID number

例如：

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：

 #include "los_mux.h" 
 #include "los_task.h" 
 /*互斥锁句柄ID*/ 
 MUX_HANDLE_T  g_Testmux01; 
 /*任务PID*/ 
 UINT32 g_TestTaskID01; 
 UINT32 g_TestTaskID02; 
 VOID Example_MutexTask1() 
 { 
     UINT32 uwRet; 
     printf("task1 try to get mutex, wait 10 Tick.\n"); 
     /*申请互斥锁*/ 
     uwRet=LOS_MuxPend(g_Testmux01, 10); 
     if(uwRet == LOS_OK) 
     { 
         printf("task1 get mutex g_Testmux01.\n"); 
         /*释放互斥锁*/ 
         LOS_MuxPost(g_Testmux01); 
         return; 
     } 
     else if(uwRet == LOS_ERRNO_MUX_TIMEOUT ) 
     { 
             printf("task1 timeout and try to get  mutex, wait forever.\n"); 
             /*申请互斥锁*/ 
             uwRet = LOS_MuxPend(g_Testmux01, LOS_WAIT_FOREVER); 
             if(uwRet == LOS_OK) 
             { 
                 printf("task1 wait forever,get mutex g_Testmux01.\n"); 
                 /*释放互斥锁*/ 
                 LOS_MuxPost(g_Testmux01); 
                 return; 
             } 
     } 
     return; 
 } 
 VOID Example_MutexTask2() 
 { 
     UINT32 uwRet; 
     printf("task2 try to get mutex, wait forever.\n"); 
     /*申请互斥锁*/ 
     uwRet=LOS_MuxPend(g_Testmux01, LOS_WAIT_FOREVER); 
     printf("task2 get mutex g_Testmux01 and suspend 100 Tick.\n"); 
     /*任务休眠100 Tick*/ 
     LOS_TaskDelay(100); 
     printf("task2 resumed and post the g_Testmux01\n"); 
     /*释放互斥锁*/ 
     LOS_MuxPost(g_Testmux01); 
     return; 
 } 
 UINT32 Example_TaskEntry() 
 { 
     UINT32 uwRet; 
     TSK_INIT_PARAM_S stTask1; 
     TSK_INIT_PARAM_S stTask2; 
     /*创建互斥锁*/ 
     LOS_MuxCreate(&g_Testmux01); 
     /*锁任务调度*/ 
     LOS_TaskLock(); 
     /*创建任务1*/ 
     memset(&stTask1, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S)); 
     stTask1.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_MutexTask1; 
     stTask1.pcName       = "MutexTsk1"; 
     stTask1.uwStackSize  = OS_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE; 
     stTask1.usTaskPrio   = 5; 
     uwRet = LOS_TaskCreate(&g_TestTaskID01, &stTask1); 
     if(uwRet != LOS_OK) 
     { 
         printf("task1 create failed .\n"); 
         return LOS_NOK; 
     } 
     /*创建任务2*/ 
     memset(&stTask2, 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S)); 
     stTask2.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_MutexTask2; 
     stTask2.pcName       = "MutexTsk2"; 
     stTask2.uwStackSize  = OS_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE; 
     stTask2.usTaskPrio   = 4; 
     uwRet = LOS_TaskCreate(&g_TestTaskID02, &stTask2); 
     if(uwRet != LOS_OK) 
     { 
         printf("task2 create failed .\n"); 
         return LOS_NOK; 
     } 
     /*解锁任务调度*/ 
     LOS_TaskUnlock(); 
     /*任务休眠300 Tick*/ 
     LOS_TaskDelay(300); 
     /*删除互斥锁*/ 
     LOS_MuxDelete(g_Testmux01); 
     /*删除任务1*/ 
     uwRet = LOS_TaskDelete(g_TestTaskID01); 
     if(uwRet != LOS_OK) 
     { 
         printf("task1 delete failed .\n"); 
         return LOS_NOK; 
     } 
     /*删除任务2*/ 
     uwRet = LOS_TaskDelete(g_TestTaskID02); 
     if(uwRet != LOS_OK) 
     { 
         printf("task2 delete failed .\n"); 
         return LOS_NOK; 
     } 
     return LOS_OK; 
 }

结果验证

编译运行得到的结果为：

task2 try to get  mutex, wait forever.
task2 get mutex g_Testmux01 and suspend 100 ticks.
task1 try to get  mutex, wait 10 ticks.
task1 timeout and try to get  mutex, wait forever.
task2 resumed and post the g_Testmux01
task1 wait forever,get mutex g_Testmux01.

完整实例代码

sample_mutex.c