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对于 RT-Thread v4.0.4 版本中解决的应用互斥量导致优先级反转的问题探讨
昨天晚上（2021.10.20），rtt 组织了一场线上发布会，展现了 v4.0.4 版本的一些新个性，以及修复的一些问题。其中，@满鉴霆 老师演讲中讲述的一个对于应用互斥量导致线程优先级反转问题，很有意思。一、简略介绍互斥量
互斥量是线程间同步的一种形式，又叫互相排挤的信号量，是一种非凡的二值信号量。互斥量相似于只有一个车位的停车场：当有一辆车进入的时候，将停车场大门锁住，其余车辆在里面等待。当外面的车进去时，将停车场大门关上，下一辆车才能够进入。（援用自 RTT 文档）
二、互斥量解决了什么问题
2.1 线程优先级反转问题
假如以后有三条线程，别离是 A、B、C，它们的优先级关系是 A > B > C，以及一个专用的内存空间 M。为了保障内存空间内数据的安全性，同一时间段内不能有超过一条线程进行操作。即当 C 正在读取 M 的数据时，A 或 B 不能对 M 做批改。
因为这样的规定，会造成优先级反转问题：
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C 就绪，并取得了 M 的控制权
A 就绪，优先级比 C 高，CPU 优先解决 A
A 尝试获取 M 的控制权，因为 C 正在持有 M 的控制权，因而挂起期待；C 持续读取 M
B 就绪，优先级比 C 高，CPU 优先解决 B
B 工作执行实现并挂起，C 持续读取 M
C 实现了读取 M 数据的操作，开释了 M 的控制权，轮到 A 对 M 进行批改
通过下面的流程，很显著，咱们发现，尽管线程 B 的优先级比线程 A 低，然而却优先执行了，这不合乎咱们对系统实时性的要求。
2.2 互斥量的解决办法
互斥量应用优先级继承协定，解决了上述的优先级反转问题：
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C 就绪，并取得了 M 的控制权
A 就绪，优先级比 C 高，CPU 优先解决 A
A 尝试获取 M 的控制权，因为 C 正在持有 M 的控制权，因而挂起期待；根据优先级继承协定，线程 C 的优先级被晋升到与 A 相等，即此时线程优先级关系是：A = C > B；C 持续读取 M
C 实现了读取 M 数据的操作，开释了 M 的控制权，优先级被复原原样，轮到 A 对 M 进行批改，唤醒 A
A 工作执行实现并挂起；B 在 3 - 4 之间已就绪，过后因优先级比 C 低，所以无奈失去执行，而此时优先级比 C 高，CPU 优先唤醒解决 B
B 工作执行实现并挂起，C 持续实现工作
三、互斥量制作了什么问题
3.1 谬误地应用了 FIFO flag
当用户须要防止上述线程优先级反转问题时，就须要用到互斥量对线程做同步。互斥量由 IPC 容器治理，因而线程想要获取互斥量时，须要在 IPC 中排队期待。IPC 的排队形式有两种：
RT_IPC_FLAG_FIFO：先进先出，队列依照先进先出形式排队
RT_IPC_FLAG_PRIO：优先级期待，队列将依照优先级进行排队，优先级高的期待线程将会插队排在优先级低的期待线程前
FIFO 属于非实时调度形式，所有排队期待的线程不再具备优先级的个性。然而，在创立 / 初始化（create/init）互斥量时，函数却容许用户应用 RT_IPC_FLAG_FIFO 参数，这会导致如下情景：
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C 就绪，并取得了 M 的控制权
B 就绪，优先级比 C 高，CPU 优先解决 B
B 尝试获取 M 的控制权，因为 C 正在持有 M 的控制权，因而挂起期待；根据优先级继承协定，线程 C 的优先级被晋升到与 B 相等，即此时线程优先级关系是：A > B = C，B 进入 FIFO 队列，并排在第一位；C 持续读取 M
A 就绪，优先级比 C 高，CPU 优先解决 A
A 尝试获取 M 的控制权，因为 C 正在持有 M 的控制权，因而挂起期待；根据优先级继承协定，线程 C 的优先级被晋升到与 A 相等，即此时线程优先级关系是：A = C > B，A 进入 FIFO 队列，依据先进先出准则，排在第二位，B 前面；C 持续读取 M
C 实现了读取 M 数据的操作，开释了 M 的控制权，优先级被复原原样，依据 FIFO 队列，轮到 B 持有 M 的控制权，唤醒 B
B 实现了读取 M 数据的操作，开释了 M 的控制权，优先级被复原原样，依据 FIFO 队列，轮到 A 持有 M 的控制权，唤醒 A
A 工作执行实现并挂起，B 持续工作
B 工作执行实现并挂起，C 持续工作
由此咱们发现，尽管 A 优先级比 B 高，然而因为 B 比 A 先进入 FIFO 队列，导致 B 比 A 优先失去 M 的控制权，并优先执行，这不合乎咱们应用互斥量的目标。
同时，因为 A 挂起期待互斥量，因而 B 开释互斥量之前，A 都不会被唤醒（除非超时）。这会使得其余优先级高于 B，低于 A 的线程都会优先于 A 执行。谁能忍？
3.2 正确的应用形式
新版本已修复以上呈现的优先级反转问题，在创立 / 初始化（create/init）互斥量时，疏忽用户给出的排队形式（flag），只应用 RT_IPC_FLAG_PRIO。
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四、总结
互斥量的诞生就是为了解决优先级反转的问题，然而谬误地应用互斥量反而会让状况变得更蹩脚。同时，这个 bug 绝对荫蔽，不易被觉察，初学者（比方我）容易谬误地应用，调试时也不容易复现。因而，修复此 bug 是很重要的。
五、结尾
感激 RTT 昨晚组织的个性解读会，的抽奖流动，让我终于中了一次奖哈哈哈！尽管是三等奖一条数据线，但这是我用这个抽奖小程序以来第一次中奖，真的很想吐槽那个抽奖小程序……
另外，解读会有回放（尽管我临时不晓得在哪）。