Zephyr内核对象--同步之互斥量

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本文简要说明Zephyr互斥量的使用和实现。

在Zephyr内核对象-同步对象简介一文中已经大概介绍了mutex的特性，本文将继续说明互斥量的使用和实现。

使用

API

#define K_MUTEX_DEFINE(name)
作用:定义一个k_mutex，并初始化
name: k_mutex name

int k_mutex_init(struct k_mutex *mutex)
作用: 初始化mutex
mutex: 要初始化的mutex
返回值: 0标示初始化成功

int k_mutex_lock(struct k_mutex *mutex, s32_t timeout)
作用：加锁
mutex: 加锁的互斥量
timeout: 等待时间，单位ms。K_NO_WAIT不等待, K_FOREVER一直等
返回值: 0表示加锁成功

int k_mutex_unlock(struct k_mutex *mutex)
作用：解锁
mutex：解锁的互斥量
返回值: 0表示解锁成功，-EPERM表示当前thread并不拥有这个互斥量， -EINVAL表示该互斥量没有被锁

使用说明

使用互斥量完成对资源的独占访问。
Mutex不能在ISR内使用。

初始化

先初始化一个互斥量，下面两种方式的效果是一样的
方法1,使用宏

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K_MUTEX_DEFINE(my_mutex);

方法2，使用函数

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struct k_mutex my_mutex;
k_mutex_init(&my_mutex);

资源独占访问

下列示例代码中Thread A和B都要去访问一个IO资源，但同一时间IO只能被独占访问，因此使用互斥量包含

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thread_A()
{
	k_mutex_lock(&my_mutex, K_FOREVER);

	//Read IO
	...

	k_mutex_unlock(&my_mutex);
}

thread_b()
{
	k_mutex_lock(&my_mutex, K_FOREVER);

	//Write IO
	...

	k_mutex_unlock(&my_mutex);
}

实现

k_mutex结构体如下，可以看出其基本实现是用的wait_q

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struct k_mutex {
	/** Mutex wait queue */
	_wait_q_t wait_q;
	/** Mutex owner */
	struct k_thread *owner;	//表示该mutex目前属于哪个线程

	/** Current lock count */
	u32_t lock_count;		//可重入锁用

	/** Original thread priority */
	int owner_orig_prio;	//优先级倒置用
};

在Zephyr内核对象-同步对象简介一文中只说了优先级倒置，没有说可重入锁，这里简单的介绍一下，可以重入锁是指如果一个线程已经拥有了互斥量，那么该线程可以继续多次对该互斥量加锁，同时也要做对应次数的解锁，才能完全释放该互斥量

初始化

k_mutex_init->z_impl_k_mutex_init，详细分析见注释

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int z_impl_k_mutex_init(struct k_mutex *mutex)
{
	mutex->owner = NULL;		//全新的mutex是无owner的
	mutex->lock_count = 0U;		//次数也未加锁

	z_waitq_init(&mutex->wait_q);

	z_object_init(mutex);

	return 0;
}

用宏也可以进行初始化

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#define _K_MUTEX_INITIALIZER(obj) \
	{ \
	.wait_q = Z_WAIT_Q_INIT(&obj.wait_q), \		//等同于z_waitq_init
	.owner = NULL, \
	.lock_count = 0, \
	.owner_orig_prio = K_LOWEST_THREAD_PRIO, \
	_OBJECT_TRACING_INIT \
	}

#define K_MUTEX_DEFINE(name) \
	Z_STRUCT_SECTION_ITERABLE(k_mutex, name) = \
		_K_MUTEX_INITIALIZER(name)

加锁

k_mutex_lock -> z_impl_k_mutex_unlock，会做下面几件事
1.如果互斥量没其它线程用，直接获得互斥量返回
2.如果互斥量是本线程在用，对可重入锁自加
3.如果互斥锁被其它线程用了，进行优先级倒置调整，等待其它线程解锁互斥量
3.如果超时内等到其它线程解锁互斥量，回去互斥量然后返回
4.如果等互斥量超时，则放弃等待，检查是否有其它线程还在等待，已等待线程的优先级重新计算要倒置的优先级，重设拥有互斥量线程的优先级

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int z_impl_k_mutex_lock(struct k_mutex *mutex, s32_t timeout)
{
	int new_prio;
	k_spinlock_key_t key;
	bool resched = false;

	key = k_spin_lock(&lock);


	//当前互斥量没被锁(lock_count ==0) 或是 当前thread已经拥有该锁(mutex->owner == _current)
	if (likely((mutex->lock_count == 0U) || (mutex->owner == _current))) {

		//记录thread当前的优先级，用于之后优先级倒置用
		mutex->owner_orig_prio = (mutex->lock_count == 0U) ?
					_current->base.prio :
					mutex->owner_orig_prio;

		mutex->lock_count++;		//对于未使用的锁这里lock_count会变成1，对于重入锁，这里lock_count会在原来的基础上增加然后返回
		mutex->owner = _current;	//更新owner

		k_spin_unlock(&lock, key);

		return 0;
	}

	//互斥量被其它thread占用，如果不等就立即返回
	if (unlikely(timeout == (s32_t)K_NO_WAIT)) {
		k_spin_unlock(&lock, key);
		return -EBUSY;
	}

	//如果要等，就进行判断，看自己线程的优先级和拥有互斥量的线程优先级谁高，计算一个新的优先级
	new_prio = new_prio_for_inheritance(_current->base.prio,
					    mutex->owner->base.prio);

	//如果互斥量拥有者线程的优先级比较低，则重设优先级，让优先级倒置
	if (z_is_prio_higher(new_prio, mutex->owner->base.prio)) {
		resched = adjust_owner_prio(mutex, new_prio);
	}

	//等待mutex释放，会引发调度
	int got_mutex = z_pend_curr(&lock, key, &mutex->wait_q, timeout);

	//等到mutex，返回
	if (got_mutex == 0) {
		return 0;
	}

	//等mutex超时
	key = k_spin_lock(&lock);

	//检查释放有其它线程在等待
	struct k_thread *waiter = z_waitq_head(&mutex->wait_q);

	//如果有其它线程在等待，比较Mutex拥有者线程和其它线程的优先级
	new_prio = (waiter != NULL) ?
		new_prio_for_inheritance(waiter->base.prio, mutex->owner_orig_prio) :
		mutex->owner_orig_prio;

	//重设拥有互斥量线程的优先级，并引发调度
	resched = adjust_owner_prio(mutex, new_prio) || resched;

	if (resched) {
		z_reschedule(&lock, key);
	} else {
		k_spin_unlock(&lock, key);
	}

	return -EAGAIN;
}

解锁

k_mutex_unlock->z_impl_k_mutex_unlock，做下面几件事
1.检查解锁者合法性
2.接触重入锁
3.恢复优先级倒置
4.等待锁的线程获取mutex

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int z_impl_k_mutex_unlock(struct k_mutex *mutex)
{
	struct k_thread *new_owner;

	//互斥量检查，不能解锁无owner的mutex
	CHECKIF(mutex->owner == NULL) {
		return -EINVAL;
	}

	//互斥量检查，不能解锁其它thread拥有的mutex
	CHECKIF(mutex->owner != _current) {
		return -EPERM;
	}

	//不允许解锁一个已经被完全
	__ASSERT_NO_MSG(mutex->lock_count > 0U);

	z_sched_lock();


	//可重入锁检查，如果没有全部解锁，直接退出
	if (mutex->lock_count - 1U != 0U) {
		mutex->lock_count--;
		goto k_mutex_unlock_return;
	}


	k_spinlock_key_t key = k_spin_lock(&lock);

	//mutex可重入锁已全部解完，对优先级倒置进行恢复
	adjust_owner_prio(mutex, mutex->owner_orig_prio);

	//检查释放有线程在等mutex
	new_owner = z_unpend_first_thread(&mutex->wait_q);

	mutex->owner = new_owner;

	if (new_owner != NULL) {
		//如果有线程在等mutex，该线程获取mutex并开始调度
		mutex->owner_orig_prio = new_owner->base.prio;
		arch_thread_return_value_set(new_owner, 0);
		z_ready_thread(new_owner);
		z_reschedule(&lock, key);
	} else {
		//如果没有线程等mutex，mutex空闲
		mutex->lock_count = 0U;
		k_spin_unlock(&lock, key);
	}


k_mutex_unlock_return:
	k_sched_unlock();
	return 0;
}

参考

https://docs.zephyrproject.org/latest/reference/kernel/synchronization/mutexes.html

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