電電俠 ? 科科大大，我最近發現了并行編程世界中一個神奇的現象——優先級反轉，我一直以為任務的執行順序都是固定的。 ?

是啊。通常情況下，任務的優先級是根據其重要性和緊急性來設定的。但是，在并發系統或多任務環境中，確實存在一種被稱為“優先級反轉”的現象。

科科君 ? 電電俠 ?

什么時候會遇到這種現象？

解決資源爭用問題時。

科科君

死鎖預防是實時系統設計中的一個重要因素。不幸的是,即使使用安全排除技術,這可能也不是困難的終點。在解決資源爭用問題時,可能引入新的優先級翻轉問題。

電電俠 ? 能詳細解釋下優先級反轉的原理嗎？ ? 優先級翻轉的基本原理可以通過一個簡單的兩任務(A 和 B)系統的行為來解釋。 科科君

假設任務A 正在使用一個鎖定的資源,此時調度程序決定進行任務交換,新任務B希望使用 A 持有的資源。在檢查訪問機制時,發現資源不可用,因此任務 B 掛起。互斥機制按計劃執行。但是如果 B的優先級高于 A 呢? 結果仍然相同,B仍然被阻塞。結果是低優先級的任務 A 阻塞了高優先級的任務B;在 A 釋放鎖定資源之前,B不能執行。系統的行為表現得好像優先級顛倒了一樣,即優先級翻轉。然而,這種行為正是使用互斥時所期望的,沒什么異常。

電電俠 ? （若有所思）在雙任務系統中,性能下降可能不是一個大問題。 ? 但是看下圖的情況。 科科君

這是一個四任務系統,由任務 A、B、C和 D(按照優先級順序)組成。系統還包括兩個共享資源 W 和 X。請注意,為了簡化對系統行為的解釋,做了以下假設。

(1)上下文切換(重新調度)僅在滴答(tick)時間發生。

(2)任務可以隨時掛起。

(3)任務可以隨時就緒。

一個運行時場景

上圖示例的一個運行時場景,如下圖所示。在t0時刻,任務 D正在執行,其他任務處于掛起狀態。在下一個滴答中斷(t1時刻)發生之前,D鎖定資源W。

注意:所有其他任務都已就緒。

在t1時刻,任務A搶占D,任務D重新進入就緒(等待運行)狀態。不久之后,A 試圖使用資源W 但發現它被鎖定,因此任務A 掛起。t2時刻,任務 B被激活,運行至完成,然后掛起。在t3時刻,任務C運行至完成并掛起。然后在t4時刻,D 再次執行。只有當任務 D釋放資源鎖時,A 才能執行(t5時刻)。

在此設計中,任務A被賦予最高優先級,因為它是一項重要的任務。然而由于互斥機制鎖,任務A只能被迫等待所有其他任務完成后才能執行。

電電俠 ? 顯然這種表現是不能接受的, 如何才能防止“連鎖”優先級翻轉情況的發生? ? 這個問題可以通過兩種方式解決,都涉及臨時提升任務優先級。

科科君 01

運行任務的優先級可以提高到通過優先繼承技術獲取的確定值。

為共享資源分配優先級,然后將正在運行的任務的優先級提高到資源優先級值,這種方式稱為優先級天花板技術。

審核編輯：黃飛

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