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编辑 @Mike 指出我下面代码中的 try_lock 函数是不安全的,并且访问器创建也会产生竞争条件。 (来自每个人的)建议使我确信我走上了错误的道路。
原始问题
嵌入式微 Controller 上的锁定要求与多线程不同,我无法将多线程示例转换为我的嵌入式应用程序。通常我没有任何类型的操作系统或线程,只有 main
以及硬件定期调用的任何中断函数。
我需要从中断中填充缓冲区是很常见的,但在 main
中处理它是很常见的。 .我创建了 IrqMutex
下面的类来尝试安全地实现这一点。每个试图访问缓冲区的人都通过 IrqMutexAccessor
被分配了一个唯一的 ID。 ,那么他们每个人都可以 try_lock()
和 unlock()
.阻塞的想法 lock()
函数在中断时不起作用,因为除非您允许中断完成,否则没有其他代码可以执行,因此 unlock()
代码永远不会运行。然而,我确实使用了 main()
中的阻塞锁。偶尔打码。
但是,我知道没有 C++11 内存屏障(在许多嵌入式平台上不可用),双重检查锁不起作用。老实说,尽管阅读了很多关于它的信息,但我真的不明白内存访问重新排序如何/为什么会导致问题。我认为使用 volatile sig_atomic_t(可能结合使用唯一 ID)使其与双重检查锁不同。但我希望有人可以:确认以下代码正确 , 解释为什么它不安全 , 或 提供一种更好的方法来实现此目的 .
class IrqMutex {
friend class IrqMutexAccessor;
private:
std::sig_atomic_t accessorIdEnum;
volatile std::sig_atomic_t owner;
protected:
std::sig_atomic_t nextAccessor(void) { return ++accessorIdEnum; }
bool have_lock(std::sig_atomic_t accessorId) {
return (owner == accessorId);
}
bool try_lock(std::sig_atomic_t accessorId) {
// Only try to get a lock, while it isn't already owned.
while (owner == SIG_ATOMIC_MIN) {
// <-- If an interrupt occurs here, both attempts can get a lock at the same time.
// Try to take ownership of this Mutex.
owner = accessorId; // SET
// Double check that we are the owner.
if (owner == accessorId) return true;
// Someone else must have taken ownership between CHECK and SET.
// If they released it after CHECK, we'll loop back and try again.
// Otherwise someone else has a lock and we have failed.
}
// This shouldn't happen unless they called try_lock on something they already owned.
if (owner == accessorId) return true;
// If someone else owns it, we failed.
return false;
}
bool unlock(std::sig_atomic_t accessorId) {
// Double check that the owner called this function (not strictly required)
if (owner == accessorId) {
owner = SIG_ATOMIC_MIN;
return true;
}
// We still return true if the mutex was unlocked anyway.
return (owner == SIG_ATOMIC_MIN);
}
public:
IrqMutex(void) : accessorIdEnum(SIG_ATOMIC_MIN), owner(SIG_ATOMIC_MIN) {}
};
// This class is used to manage our unique accessorId.
class IrqMutexAccessor {
friend class IrqMutex;
private:
IrqMutex& mutex;
const std::sig_atomic_t accessorId;
public:
IrqMutexAccessor(IrqMutex& m) : mutex(m), accessorId(m.nextAccessor()) {}
bool have_lock(void) { return mutex.have_lock(accessorId); }
bool try_lock(void) { return mutex.try_lock(accessorId); }
bool unlock(void) { return mutex.unlock(accessorId); }
};
因为只有一个处理器,并且没有线程处理互斥锁,我认为它的用途与正常用途略有不同。我反复遇到两个主要用例。
struct ExampleCounter {
volatile long long int value;
IrqMutex mutex;
} exampleCounter;
struct ExampleBuffer {
volatile char data[256];
volatile size_t index;
IrqMutex mutex; // One mutex per buffer.
} exampleBuffers[2];
const volatile char * const REGISTER;
// This accessor shouldn't be created in an interrupt or a race condition can occur.
static IrqMutexAccessor myMutex(exampleCounter.mutex);
void __irqQuickFunction(void) {
// Obtain a lock, add the data then unlock all within one function call.
if (myMutex.try_lock()) {
exampleCounter.value++;
myMutex.unlock();
} else {
// If we failed to obtain a lock, we skipped this update this one time.
}
}
// These accessors shouldn't be created in an interrupt or a race condition can occur.
static IrqMutexAccessor myMutexes[2] = {
IrqMutexAccessor(exampleBuffers[0].mutex),
IrqMutexAccessor(exampleBuffers[1].mutex)
};
void __irqLongFunction(void) {
static size_t bufferIndex = 0;
// Check if we have a lock.
if (!myMutex[bufferIndex].have_lock() and !myMutex[bufferIndex].try_lock()) {
// If we can't get a lock try the other buffer
bufferIndex = (bufferIndex + 1) % 2;
// One buffer should always be available so the next line should always be successful.
if (!myMutex[bufferIndex].try_lock()) return;
}
// ... at this point we know we have a lock ...
// Get data from the hardware and modify the buffer here.
const char c = *REGISTER;
exampleBuffers[bufferIndex].data[exampleBuffers[bufferIndex].index++] = c;
// We may keep the lock for multiple function calls until the end of packet.
static const char END_PACKET_SIGNAL = '\0';
if (c == END_PACKET_SIGNAL) {
// Unlock this buffer so it can be read from main.
myMutex[bufferIndex].unlock();
// Switch to the other buffer for next time.
bufferIndex = (bufferIndex + 1) % 2;
}
}
int main(void) {
while (true) {
// Mutex for counter
static IrqMutexAccessor myCounterMutex(exampleCounter.mutex);
// Change counter value
if (EVERY_ONCE_IN_A_WHILE) {
// Skip any updates that occur while we are updating the counter.
while(!myCounterMutex.try_lock()) {
// Wait for the interrupt to release its lock.
}
// Set the counter to a new value.
exampleCounter.value = 500;
// Updates will start again as soon as we unlock it.
myCounterMutex.unlock();
}
// Mutexes for __irqLongFunction.
static IrqMutexAccessor myBufferMutexes[2] = {
IrqMutexAccessor(exampleBuffers[0].mutex),
IrqMutexAccessor(exampleBuffers[1].mutex)
};
// Process buffers from __irqLongFunction.
for (size_t i = 0; i < 2; i++) {
// Obtain a lock so we can read the data.
if (!myBufferMutexes[i].try_lock()) continue;
// Check that the buffer isn't empty.
if (exampleBuffers[i].index == 0) {
myBufferMutexes[i].unlock(); // Don't forget to unlock.
continue;
}
// ... read and do something with the data here ...
exampleBuffer.index = 0;
myBufferMutexes[i].unlock();
}
}
}
}
另请注意,我使用了
volatile
在任何由中断例程读取或写入的变量上(除非该变量仅从中断访问,如
static bufferIndex
中的
__irqLongFunction
值)。我读过互斥锁消除了对
volatile
的一些需要在多线程代码中,但我认为这不适用于这里。
我是否使用了正确数量的 volatile
? 我用它:
ExampleBuffer[].data[256]
,
ExampleBuffer[].index
, 和
ExampleCounter.value
.
最佳答案
我为长答案道歉,但也许它适合一个长问题。
要回答你的第一个问题,我会说你的 IrqMutex 实现是不安全的。让我试着解释我在哪里看到问题。
功能 nextAccessor
std::sig_atomic_t nextAccessor(void) { return ++accessorIdEnum; }
volatile
的原子值上。 .涉及3个操作:读取
accessorIdEnum
的当前值,增加它,然后写回结果。如果两个
IrqMutexAccessor
s 是同时创建的,它们可能获得相同的 ID。
try_lock
try_lock
函数也有竞争条件。一个线程(例如主线程)可以进入
while
循环,然后在获得所有权之前,另一个线程(例如中断)也可以进入
while
循环并取得锁的所有权(返回
true
)。然后第一个线程可以继续,移动到
owner = accessorId
,因此“也”取得了锁。所以两个线程(或者你的
main
线程和一个中断)可以
try_lock
同时在一个无主互斥锁上并且都返回
true
.
class InterruptLock {
public:
InterruptLock() {
prevInterruptState = currentInterruptState();
disableInterrupts();
}
~InterruptLock() {
restoreInterrupts(prevInterruptState);
}
private:
int prevInterruptState; // Whatever type this should be for the platform
InterruptLock(const InterruptLock&); // Not copy-constructable
};
bool try_lock(std::sig_atomic_t accessorId) {
InterruptLock lock;
if (owner == SIG_ATOMIC_MIN) {
owner = accessorId;
return true;
}
return false;
}
bool unlock(std::sig_atomic_t accessorId) {
InterruptLock lock;
if (owner == accessorId) {
owner = SIG_ATOMIC_MIN;
return true;
}
return false;
}
volatile long long int exampleCounter;
void __irqQuickFunction(void) {
exampleCounter++;
}
...
// Change counter value
if (EVERY_ONCE_IN_A_WHILE) {
InterruptLock lock;
exampleCounter = 500;
}
struct ExampleBuffer {
char data[256];
} exampleBuffers[2];
ExampleBuffer* volatile bufferAwaitingConsumption = nullptr;
ExampleBuffer* volatile freeBuffer = &exampleBuffers[1];
const volatile char * const REGISTER;
void __irqLongFunction(void) {
static const char END_PACKET_SIGNAL = '\0';
static size_t index = 0;
static ExampleBuffer* receiveBuffer = &exampleBuffers[0];
// Get data from the hardware and modify the buffer here.
const char c = *REGISTER;
receiveBuffer->data[index++] = c;
// End of packet?
if (c == END_PACKET_SIGNAL) {
// Make the packet available to the consumer
bufferAwaitingConsumption = receiveBuffer;
// Move on to the next buffer
receiveBuffer = freeBuffer;
freeBuffer = nullptr;
index = 0;
}
}
int main(void) {
while (true) {
// Fetch packet from shared variable
ExampleBuffer* packet;
{
InterruptLock lock;
packet = bufferAwaitingConsumption;
bufferAwaitingConsumption = nullptr;
}
if (packet) {
// ... read and do something with the data here ...
// Once we're done with the buffer, we need to release it back to the producer
{
InterruptLock lock;
freeBuffer = packet;
}
}
}
}
const size_t BUFFER_COUNT = 2;
struct ExampleBuffer {
char data[256];
ExampleBuffer* next;
} exampleBuffers[BUFFER_COUNT];
volatile size_t overflowCount = 0;
class BufferList {
public:
BufferList() : first(nullptr), last(nullptr) { }
// Atomic enqueue
void enqueue(ExampleBuffer* buffer) {
InterruptLock lock;
if (last)
last->next = buffer;
else {
first = buffer;
last = buffer;
}
}
// Atomic dequeue (or returns null)
ExampleBuffer* dequeueOrNull() {
InterruptLock lock;
ExampleBuffer* result = first;
if (first) {
first = first->next;
if (!first)
last = nullptr;
}
return result;
}
private:
ExampleBuffer* first;
ExampleBuffer* last;
} freeBuffers, buffersAwaitingConsumption;
const volatile char * const REGISTER;
void __irqLongFunction(void) {
static const char END_PACKET_SIGNAL = '\0';
static size_t index = 0;
static ExampleBuffer* receiveBuffer = &exampleBuffers[0];
// Recovery from overflow?
if (!receiveBuffer) {
// Try get another free buffer
receiveBuffer = freeBuffers.dequeueOrNull();
// Still no buffer?
if (!receiveBuffer) {
overflowCount++;
return;
}
}
// Get data from the hardware and modify the buffer here.
const char c = *REGISTER;
if (index < sizeof(receiveBuffer->data))
receiveBuffer->data[index++] = c;
// End of packet, or out of space?
if (c == END_PACKET_SIGNAL) {
// Make the packet available to the consumer
buffersAwaitingConsumption.enqueue(receiveBuffer);
// Move on to the next free buffer
receiveBuffer = freeBuffers.dequeueOrNull();
index = 0;
}
}
size_t getAndResetOverflowCount() {
InterruptLock lock;
size_t result = overflowCount;
overflowCount = 0;
return result;
}
int main(void) {
// All buffers are free at the start
for (int i = 0; i < BUFFER_COUNT; i++)
freeBuffers.enqueue(&exampleBuffers[i]);
while (true) {
// Fetch packet from shared variable
ExampleBuffer* packet = dequeueOrNull();
if (packet) {
// ... read and do something with the data here ...
// Once we're done with the buffer, we need to release it back to the producer
freeBuffers.enqueue(packet);
}
size_t overflowBytes = getAndResetOverflowCount();
if (overflowBytes) {
// ...
}
}
}
getAndResetOverflowCount
将其传达给主线程。 BufferList
),它支持原子出队和入队。前面的示例也使用了队列,但长度为 0-1(一个项目已入队或未入队),因此队列的实现只是一个变量。在空闲缓冲区用完的情况下,接收队列可能有 2 个项目,因此我将其升级为适当的队列,而不是添加更多共享变量。 关于c++ - 带中断的互斥安全(嵌入式固件),我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/27409024/
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