线程优先级翻转，如何避免？

概述

• 最近在开发过程中，遇到一个问题线程优先级翻转的问题。那什么原因导致优先级翻转呢？
• 在RTOS开发中，优先级翻转问题也是值得我们去关注留意的。避免代码瘫痪。

什么是优先级翻转

• 所谓的优先级翻转问题：即当一个高优先级线程通过信号量机制访问共享资源时，该型号量以被一个低优先级线程占有，而这个低优先级的任务在访问共享资源时可能又被一个中等优先级任务抢占。从上面的描述，高优先级线程被许多较低优先级的任务阻塞，导致高优先级的实时性得不到保证。
• 举例：有三个线程分别为：A、B、C。优先级A > B > C，线程A和B处于挂起状态，等待某一事件发生，线程C正在运行，此时任务C开始使用共享资源Source。在使用Source时，线程A等待事件到来，线程A转为就绪态，因为线程A优先级比线程C高，所以线程A会立即执行。当线程A要使用共享资源Source时，由于共享资源Source正在被线程C使用，因此线程A被挂起，线程C开始运行。如果此时中等优先级线程B等待事件到来，则线程B转为就绪态。由于线程B优先级比线程C高，因此线程B开始运行，直到其运行完毕，线程C才开始运行。直到线程C释放共享资源Source后，线程A才得以执行。在这种情况下，优先级发生了翻转，线程B先于线程A运行。

如何解决优先级翻转

• 解决优先级翻转的方法：优先级天花板、优先级继承。那么这两种方法有什么？

优先级天花板

• 优先级天花板是当线程申请某资源时，把该线程的优先级提升到可访问这个资源的所有线程中的最高优先级，这个优先级称为该资源的优先级天花板。这种方法简单易行，不必进行复杂的判断，不管线程是否阻塞了高优先级线程的运行， 只要线程访问共享资源都会提升线程的优先级。

优先级继承

• 优先级继承是当线程A申请共享资源Source时，如果共享资源Source正在被线程C使用，通过比较线程C与自身的优先级，如发现线程C的优先级小于自身的优先级， 则将线程C的优先级提升到自身的优先级，线程C释放资源Source后，再恢复线程C的原优先级。这种方法只在占有资源的低优先级线程阻塞了高优先级线程时才动态的改变线程的优先级。

RT-Thread是如何解决线程优先级翻转呢？

• 在官方的文档中，对线程优先级翻转有相对应的说明及解决方法。下面我把RT-THREAD官方的描述及解决方法贴出来。
• 使用信号量会导致的另一个潜在问题是线程优先级翻转问题。所谓优先级翻转，即当一个高优先级线程试图通过信号量机制访问共享资源时，如果该信号量已被一低优先级线程持有，而这个低优先级线程在运行过程中可能又被其它一些中等优先级的线程抢占，因此造成高优先级线程被许多具有较低优先级的线程阻塞，实时性难以得到保证。如下图所示：有优先级为 A、B 和 C 的三个线程，优先级 A > B > C。线程 A，B 处于挂起状态，等待某一事件触发，线程 C 正在运行，此时线程 C 开始使用某一共享资源 M。在使用过程中，线程 A 等待的事件到来，线程 A 转为就绪态，因为它比线程 C 优先级高，所以立即执行。但是当线程 A 要使用共享资源 M 时，由于其正在被线程 C 使用，因此线程 A 被挂起切换到线程 C 运行。如果此时线程 B 等待的事件到来，则线程 B 转为就绪态。由于线程 B 的优先级比线程 C 高，因此线程 B 开始运行，直到其运行完毕，线程 C 才开始运行。只有当线程 C 释放共享资源 M 后，线程 A 才得以执行。在这种情况下，优先级发生了翻转：线程 B 先于线程 A 运行。这样便不能保证高优先级线程的响应时间。

• 在 RT-Thread 操作系统中，互斥量可以解决优先级翻转问题，实现的是优先级继承算法。优先级继承是通过在线程 A 尝试获取共享资源而被挂起的期间内，将线程 C 的优先级提升到线程 A 的优先级别，从而解决优先级翻转引起的问题。这样能够防止 C（间接地防止 A）被 B 抢占，如下图所示。优先级继承是指，提高某个占有某种资源的低优先级线程的优先级，使之与所有等待该资源的线程中优先级最高的那个线程的优先级相等，然后执行，而当这个低优先级线程释放该资源时，优先级重新回到初始设定。因此，继承优先级的线程避免了系统资源被任何中间优先级的线程抢占。

说明

• 对于我们开发来说，要避免发生优先级翻转的问题。
• 优先级翻转的危害：
  1. 任务调度时，时间不确定性，破坏实时系统的实时性，严重时可能导致系统崩溃。
  2. 优先级低的任务比优先级高的任务更先执行，导致任务的错乱，逻辑的错乱。