📚 课程目录第3章优先级反转场景模拟与对策

3. 优先级反转场景模拟与对策

任务目标

在VxWorks实时系统中，当高优先级任务被低优先级任务持有的互斥信号量阻塞，而中优先级任务又抢占低优先级任务时，高优先级任务的完成时间将被严重延迟。本案例通过三个任务模拟该场景，测量高优先级任务的实际阻塞时间，并分别使用优先级继承（PRI_INHERIT）与优先级天花板（PRI_CEILING）两种互斥信号量属性进行优化，对比优化效果。

环境与依赖

VxWorks 7或6.9及以上版本，支持POSIX互斥信号量属性扩展
使用semMCreate创建互斥信号量，通过SEM_INVERSION_SAFE标志启用优先级继承，通过SEM_CEILING_PRIORITY(x)设置天花板优先级
需要目标机串口或控制台输出观察日志

关键完整代码

/* 优先级反转场景模拟与对策 - VxWorks */

#include <vxWorks.h>
#include <semLib.h>
#include <taskLib.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>

/* 任务优先级定义 */
#define PRI_HIGH   100   /* 高优先级任务 */
#define PRI_MID    150   /* 中优先级任务 */
#define PRI_LOW    200   /* 低优先级任务 */

/* 共享互斥信号量 */
static SEM_ID semMutex;

/* 时间戳记录 */
static struct timespec tsStart, tsEnd;

/* 低优先级任务：持有信号量并执行较长时间 */
static void lowTask(void)
{
    printf("[LOW ] 开始执行，尝试获取信号量\n");
    semTake(semMutex, WAIT_FOREVER);
    printf("[LOW ] 已获取信号量，开始长时间计算...\n");
    taskDelay(sysClkRateGet() * 2);  /* 模拟占用2秒 */
    printf("[LOW ] 释放信号量\n");
    semGive(semMutex);
}

/* 中优先级任务：无信号量需求，但会抢占低优先级任务 */
static void midTask(void)
{
    printf("[MID ] 开始执行，持续占用CPU...\n");
    taskDelay(sysClkRateGet() * 3);  /* 模拟运行3秒 */
    printf("[MID ] 执行完毕\n");
}

/* 高优先级任务：等待信号量并记录等待时间 */
static void highTask(void)
{
    printf("[HIGH] 开始执行，尝试获取信号量\n");
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &tsStart);
    semTake(semMutex, WAIT_FOREVER);
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &tsEnd);
    printf("[HIGH] 已获取信号量，等待时间: %ld ms\n",
           (tsEnd.tv_sec - tsStart.tv_sec) * 1000 +
           (tsEnd.tv_nsec - tsStart.tv_nsec) / 1000000);
    semGive(semMutex);
}

/* 测试入口：mode=0 无优化, mode=1 优先级继承, mode=2 天花板 */
void inversionTest(int mode)
{
    /* 创建互斥信号量 */
    if (mode == 0) {
        semMutex = semMCreate(SEM_Q_PRIORITY);
        printf("=== 模式: 无优化（普通互斥） ===\n");
    } else if (mode == 1) {
        semMutex = semMCreate(SEM_Q_PRIORITY | SEM_INVERSION_SAFE);
        printf("=== 模式: 优先级继承 ===\n");
    } else {
        semMutex = semMCreate(SEM_Q_PRIORITY | SEM_CEILING_PRIORITY(PRI_HIGH));
        printf("=== 模式: 优先级天花板(设为%d) ===\n", PRI_HIGH);
    }

    /* 创建任务：先低优先级，再中优先级，最后高优先级 */
    taskSpawn("tLow",  PRI_LOW,  0, 0x2000, (FUNCPTR)lowTask,  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0);
    taskDelay(sysClkRateGet() / 10);  /* 确保低任务先获取信号量 */
    taskSpawn("tMid",  PRI_MID,  0, 0x2000, (FUNCPTR)midTask,  0,0,0,0,0,0,0,0,0,0);
    taskDelay(sysClkRateGet() / 10);
    taskSpawn("tHigh", PRI_HIGH, 0, 0x2000, (FUNCPTR)highTask, 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0);

    /* 等待所有任务完成 */
    taskDelay(sysClkRateGet() * 4);
    printf("=== 测试结束 ===\n\n");
}

运行与验证

将代码编译链接到VxWorks镜像或作为可下载模块加载到目标机。
在shell中依次执行：
inversionTest(0) — 观察无优化时的等待时间
inversionTest(1) — 观察优先级继承效果
inversionTest(2) — 观察天花板协议效果
判定标准：无优化模式下，高优先级任务等待时间应接近2秒（低任务持有信号量时间+中任务抢占时间）；优先级继承模式下，等待时间应显著缩短（低任务被临时提升优先级，不被中任务抢占）；天花板模式下，等待时间应接近低任务实际持有信号量的时间（约2秒，但中任务无法在低任务持锁期间抢占）。

预期输出（示例）

=== 模式: 无优化（普通互斥） ===
[LOW ] 开始执行，尝试获取信号量
[LOW ] 已获取信号量，开始长时间计算...
[MID ] 开始执行，持续占用CPU...
[HIGH] 开始执行，尝试获取信号量
[MID ] 执行完毕
[LOW ] 释放信号量
[HIGH] 已获取信号量，等待时间: 3000 ms

=== 模式: 优先级继承 ===
[LOW ] 开始执行，尝试获取信号量
[LOW ] 已获取信号量，开始长时间计算...
[MID ] 开始执行，持续占用CPU...
[HIGH] 开始执行，尝试获取信号量
[LOW ] 释放信号量
[HIGH] 已获取信号量，等待时间: 2000 ms

注：实际时间取决于系统时钟粒度和任务调度延迟，上述为逻辑推导的预期值，用于验证代码逻辑正确性。