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來源：網(wǎng)絡(luò)素材?| ZeroMing222

嵌入并發(fā)，意味著多線程或者多任務(wù)，基本上都是使用了系統(tǒng)，linux系統(tǒng)或RTOS系統(tǒng)之類的實現(xiàn)。RTOS系統(tǒng)里任務(wù)的調(diào)度主要有搶占式和時間片調(diào)度兩種，具體的區(qū)別這里就不詳細(xì)說明了。此篇章包含了并發(fā)的一些術(shù)語，如并發(fā)性，臨界性，資源，死鎖等的概念。最好是詳細(xì)閱讀RTOS系統(tǒng)的書籍。

聲明：文章基于《C嵌入式編程設(shè)計模式》這本書，英文是Design?Patterns?for?Embedded?Systems in C。主要是做個筆記，并添加一點個人的理解，分享出來與各位探討。

1.?嵌入并發(fā)和資源管理的設(shè)計模式

總共有8個模式，前兩個循環(huán)執(zhí)行模式和靜態(tài)優(yōu)先級模式，提供了兩個不同的方法來調(diào)度任務(wù)或線程。接下來3個模式臨界區(qū)模式，守衛(wèi)調(diào)用模式和隊列模式，為了使解決在多任務(wù)環(huán)境下串行訪問資源的問題。匯合模式講的是多任務(wù)以不同的方式進行同步。最后兩個模式是關(guān)注預(yù)防死鎖問題。希望下面的模式能夠各位一點啟發(fā)。

1.1 循環(huán)執(zhí)行模式

循環(huán)模式有非常簡單的方式調(diào)用多個任務(wù)的特點，允許所有的任務(wù)有同等機會運行，但是不能及時響應(yīng)緊急事件。一般在資源少的系統(tǒng)里面使用，避免了RTOS的開銷，也不需要復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度。簡單就是最大的優(yōu)點。

1.1.1 模式結(jié)構(gòu)

CyclicExecutive有一個controlLoop()函數(shù)，可以反復(fù)調(diào)用每個任務(wù)的run操作。也需要等待任務(wù)的結(jié)束再調(diào)用下一個任務(wù)。

1.1.2 角色

1.1.2.1 抽象任務(wù)（AbstractCEThread）

通過聲明run()函數(shù)為線程提供接口。它是用來循環(huán)執(zhí)行的任務(wù)函數(shù)。

1.1.2.2 循環(huán)控制（CyclicExecutive）

這個類用于循環(huán)執(zhí)行每個任務(wù)。此外也有全局棧和任務(wù)本身需要的靜態(tài)數(shù)據(jù)。模式的一個變體是時間觸發(fā)循環(huán)執(zhí)行，在這個變體中，CyclicExecutive設(shè)置使用CycleTimer來開啟每個周期。也就是使用這個變體可以在周期類執(zhí)行每個函數(shù)。

1.1.2.3 循環(huán)定時器（CycleTimer）

圖中有表示帶有“0，1”，這個定時器是可選的。當(dāng)定時器時間到時，可以調(diào)用中斷或者返回TRUE給hasElapsed()函數(shù)。CyclicExecutive將調(diào)用start()為下一個周期開始計時。

1.1.2.4 具體任務(wù)實現(xiàn)（ConcreteCEThread）

每個ConcreteCEThread都有自己的run()函數(shù)，用于具體的任務(wù)實現(xiàn)。

1.1.3 效果

如前所述，該模式優(yōu)點在于簡單，一方面很難導(dǎo)致調(diào)度程序錯誤，另一方面對緊急事件響應(yīng)不足，使得僅使用在內(nèi)存小的設(shè)備。還有缺點是，任務(wù)間的通訊會值得考慮，比如一個任務(wù)需要另一個任務(wù)的數(shù)據(jù)，那么數(shù)據(jù)只能保存在全局的內(nèi)存或共享資源中。我們盡量不要定義太多的全局變量，否則會難以管理維護，和造成內(nèi)存的浪費。

1.1.4 實現(xiàn)

該模式的實現(xiàn)非常簡單。在大多數(shù)情況下，循環(huán)執(zhí)行可能僅是應(yīng)用的main()函數(shù)中調(diào)用。

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1.2 靜態(tài)優(yōu)先級模式

大多數(shù)的實時操作系統(tǒng)都是靜態(tài)優(yōu)先級模式。所以想要使用這個模式直接移植RTOS系統(tǒng)就好了。這里的模式復(fù)雜度和完整度是無法比得上RTOS系統(tǒng)的，不過閱讀這里也可以使你對RTOS的任務(wù)調(diào)度有所了解，因為這是基于這個框架的。靜態(tài)優(yōu)先級模式能夠為任務(wù)劃分優(yōu)先級，能夠更好響應(yīng)高優(yōu)先級時間。

1.2.1 模式結(jié)構(gòu)

除了右下角AbstraceStaticThread，SharedResource，ConcreteStaticThread這三個類，其他一般是由RTOS實現(xiàn)。

1.2.2 角色

1.2.2.1 抽象線程（AbstraceStaticThread）

是一個抽象類，提供run()函數(shù)給調(diào)度器運行。

1.2.2.2 具體線程（ConcreteStaticThread）

ConcreteThread作為AbstraceStaticThread具體實現(xiàn)run()函數(shù)。

1.2.2.3 互斥鎖（Mutex）

是一個互斥的信號量類，用來串行訪問SharedResource。當(dāng)一個任務(wù)調(diào)用了互斥量的lock()函數(shù)，其他任務(wù)嘗試鎖定的同一個互斥量時候，會被阻塞，直到互斥量的解鎖或超時退出。

1.2.2.4 隊列（PriorityQueue）

PriorityQueue是根據(jù)優(yōu)先級，對指向StaticTaskControlBlock的指針進行排序，也就是說隊列里存儲的其實每個線程的排隊。一般在RTOS系統(tǒng)里，存在不止一個隊列，有就緒隊列，阻塞隊列等，調(diào)度器會從就緒隊列取出第一個執(zhí)行。

1.2.2.5 資源（SharedResource）

該資源可能在一個或多個線程里共享，需要保證資源的正常，在下面模式會說明資源共享的問題。

1.2.2.6 棧（Stack）

每個AbstraceStaticThread都有一個棧用于返回地址和傳遞參數(shù)。

1.2.2.7 調(diào)度器（StaticPriorityScheduler）

最簡單的法則：總是運行最高優(yōu)先級的準(zhǔn)備線程。RTOS系統(tǒng)里，任務(wù)創(chuàng)建，任務(wù)切換等都需要經(jīng)過調(diào)度器。任務(wù)創(chuàng)建成功后，會把任務(wù)按優(yōu)先級加入到就緒列表中，任務(wù)掛起就會加入到掛起列表。系統(tǒng)有個滴答時鐘中斷或其他能夠進行任務(wù)切換，查找下一個運行的任務(wù)可以有通用方法，就是從就緒列表取。另一種是硬件方法，使用處理器自帶的硬件指令來實現(xiàn)，需要硬件本身支持。

1.2.2.8 程序控制塊（StaticTaskControlBlock）

包含了它相應(yīng)的AbstraceStaticThread對象的調(diào)度信息。有線程的優(yōu)先級，默認(rèn)開始地址，目前地址，只要線程還在沒被銷毀，這個塊就會伴隨著存在。

1.2.3 效果

靜態(tài)優(yōu)先級模式能夠?qū)κ录峁┘皶r響應(yīng)，可以對CPU大程序優(yōu)化，避免單線程因等待時占用CPU這種浪費。因RTOS系統(tǒng)的支持，線程間通訊也有很多保證，郵箱，信號量機制，避免了過多的全局變量。

1.1.4 實現(xiàn)

最好的方式是直接移植成熟的RTOS系統(tǒng)來實現(xiàn)。使用這種模式，需要對前期開發(fā)有個設(shè)計，對內(nèi)存分配，優(yōu)先級分配等因素，需要在程序開發(fā)前有個規(guī)劃，否則可能會造成后面存在各種問題。復(fù)雜度比單線程的高，所以需要你有個深入的理解，才能對RTOS系統(tǒng)運用掌握，但是也不用害怕，RTOS始終還是中小的系統(tǒng)，有時間可以研究源碼，RTOS對指針，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的運用非常的成熟高效。

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1.3 臨界區(qū)模式

臨界區(qū)模式是任務(wù)協(xié)調(diào)最簡單的方式。它直接禁止了任務(wù)的切換，在臨界區(qū)內(nèi)安全訪問之后，再退出臨界區(qū)。

1.3.1 模式結(jié)構(gòu)

模式結(jié)構(gòu)非常簡單，在進入臨界區(qū)后才訪問資源。調(diào)度程序不參與臨界區(qū)的開啟和結(jié)束過程，知識提供服務(wù)禁止和重啟任務(wù)切換。如果調(diào)度系統(tǒng)不提供，則臨界區(qū)能夠在硬件級別使用C的asm直接開關(guān)中斷處理。

1.3.2 角色

1.3.2.1 臨界區(qū)（CRShaaredResource）

使用這個元素來禁止任務(wù)切換，以防止任務(wù)同時訪問資源。這個例子里，受保護資源是Value屬性，相關(guān)的服務(wù)都必須使用臨界區(qū)來保護，setValue()和getValue()函數(shù)必須獨立實現(xiàn)臨界區(qū)。

1.3.2.2 任務(wù)集合（TaskWithSharedResource）

這個元素代表所有想要訪問共享資源的任務(wù)集。這些任務(wù)并不知道保護資源的方法，因為它被封裝在共享資源內(nèi)。

1.3.3 效果

模式特點就是禁止調(diào)度任務(wù)的切換，更嚴(yán)格的，禁止所有的中斷。注意的是，一旦元素離開了臨界區(qū)，將重啟任務(wù)切換，另外使用了臨界區(qū)，就注定會影響到其他任務(wù)的時序，所以盡量保證臨界區(qū)的時間不要長。

1.3.4 實現(xiàn)

絕大多數(shù)的RTOS系統(tǒng)直接提供函數(shù)，調(diào)用即可。

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1.4 守衛(wèi)調(diào)用模式

守衛(wèi)調(diào)用模式提供了鎖定的機制串行訪問，可以阻止當(dāng)鎖定后來自其他線程的調(diào)用資源。在RTOS系統(tǒng)里，直白的說就是信號量。使用這個模式可能會導(dǎo)致優(yōu)先級導(dǎo)致，或死鎖的問題發(fā)生。

1.4.1 模式結(jié)構(gòu)

在模式下，多個PreemptiveTasks通過他們的函數(shù)訪問GuardeResource。當(dāng)一個線程調(diào)用一個正在鎖定的信號量時，調(diào)度服務(wù)會把該線程加入到阻塞隊列中，等待當(dāng)那個信號量釋放或超時時，解除阻塞。調(diào)度服務(wù)必須作為臨界區(qū)實現(xiàn)信號量的lock()功能，以防止可能的競爭條件。

1.4.2 角色

1.4.2.1 共享資源（GuardedResource）

在這個類中使用互斥信號量來互斥訪問。在訪問資源之前，執(zhí)行與Semaphore實例關(guān)聯(lián)的lock()函數(shù)。如果Semaphore是在非鎖定狀態(tài)，則變?yōu)殒i定；如果在鎖定狀態(tài)，則Semaphore會調(diào)度復(fù)位發(fā)信號阻塞這個任務(wù)。

1.4.2.2 任務(wù)（PreemptiveTask）

訪問共享資源的任務(wù)。

1.4.2.3 互斥信號量（Semaphore）

它串行訪問GuardedResource。lock()函數(shù)是用于訪問資源之前，release()函數(shù)是訪問資源后，調(diào)用釋放信號量。

1.4.3 效果

該模式提供及時訪問資源，并同時阻止多個能夠?qū)е聰?shù)據(jù)損壞和系統(tǒng)錯誤行為的同時訪問。如果資源沒有上鎖，那么訪問資源并不會遭受到延遲。

1.4.4 實現(xiàn)

通過使用RTOS提供的信號量函數(shù)。一般都會提供創(chuàng)建信號量，摧毀信號量，上鎖，解鎖的接口。

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1.5 隊列模式

隊列模式是任務(wù)異步通訊常見的實現(xiàn)。它提供了在任務(wù)間的通訊方式。發(fā)送者將消息隊列Cyrus隊列中，一段時間過后，接受者從隊列取出消息。它也可以實現(xiàn)了串行訪問共享資源，把訪問消息排隊，并且在稍后處理，這避免了共享資源同時訪問的問題。

1.5.1 模式結(jié)構(gòu)

QUEUE_SIZE聲明決定隊列能容納最大的元素數(shù)目。必須足夠大來處理最差的情況，也不要太大以免內(nèi)存的浪費。

1.5.2 角色

1.5.2.1 消息（Message）

它可以任何東西，是簡單的數(shù)據(jù)值，或發(fā)送消息的詳細(xì)數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)。

1.5.2.2 消息隊列（MessageQueue）

MessageQueue是QTasks間交換的信息存儲。提供了getNextIndex()函數(shù)來運行計算下一個有效的索引值。insert()函數(shù)在頭部位置將Message插入到隊列中并更新頭索引。remove()函數(shù)可以用于刪除最舊的消息。iFull()，isEmpty()兩個用來檢測隊列是否已滿，是否為空。

1.5.2.3 互斥信號量（Mutex）

是互斥信號量，如靜態(tài)優(yōu)先級模式中的描述類似。

1.5.2.4 任務(wù)（QTask）

QTask是MessageQueue的客戶，要么調(diào)用insert()插入新消息，要么調(diào)用remove()訪問最早的數(shù)據(jù)。

1.5.3 效果

當(dāng)數(shù)據(jù)在任務(wù)間傳遞，隊列模式十分好用?；コ饬靠梢源_保隊列本身不會由于同時訪問造成損壞。相比守衛(wèi)調(diào)用模式，隊列模式接收數(shù)據(jù)不是很及時。

1.5.4 實現(xiàn)

隊列的最簡單實現(xiàn)是消息元素數(shù)組。有簡單的優(yōu)點，也會有靈活性不足，占用空間固定等缺陷。更多是使用鏈表的方式來實現(xiàn)隊列。MessageQueue還可以添加多個緩沖區(qū)，每個優(yōu)先級一個隊列，這樣實現(xiàn)優(yōu)先級策略，或者基于消息優(yōu)先級，通過插入元素隊列中實現(xiàn)。在復(fù)雜的系統(tǒng)中，預(yù)測最佳隊列大小是不可行的，如果使用數(shù)組實現(xiàn)隊列的方式，會存在超出容量的問題。在這種情況下，可以額外使用一個緩沖隊列在作為臨時存儲。

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1.6 匯合模式

任務(wù)必須以不同的方式同步。發(fā)生同步可能是共享單一資源，或者等待信號量等造成，這些隊列模式和守衛(wèi)調(diào)用模式都能夠?qū)崿F(xiàn)。但是如果同步需要的條件更加復(fù)雜呢？匯合模式就是解決這個問題。當(dāng)所有的任務(wù)都滿足同步條件時，才能繼續(xù)運行。

1.6.1 模式結(jié)構(gòu)

需要同步的線程至少2個，同時擁有唯一的Rendezvous。

1.6.2 角色

1.6.2.1 聚合（Rendezvous）

用于管理同步。它通過兩個方式：reset()函數(shù)重置同步標(biāo)準(zhǔn)為初始條件。synchronize()函數(shù)，當(dāng)任務(wù)想要同步時調(diào)用這個方法。如果不滿足標(biāo)準(zhǔn)，則任務(wù)阻塞。這個通?？梢允褂糜^察者模式或守衛(wèi)調(diào)用模式實現(xiàn)。

1.6.2.2 計數(shù)信號量（Semaphore）

這個通常是計數(shù)信號量，有創(chuàng)建，摧毀，上鎖和釋放標(biāo)準(zhǔn)鎖的接口函數(shù)。用于存儲當(dāng)前所有任務(wù)滿足同步條件的數(shù)量。當(dāng)?shù)扔陬A(yù)設(shè)值時，同步條件滿足。

1.6.2.3 線程（SynchronizingThread）

代表使用Rendezvous同步的每個線程。

1.6.3 效果

在這個模式中，兩個或更多的任務(wù)都同時滿足某個條件時，才能繼續(xù)運行或調(diào)用回調(diào)函數(shù)。

1.6.4 實現(xiàn)

該模式可以通過前面的觀察者模式，或者守衛(wèi)調(diào)用模式實現(xiàn)。如果使用的是觀察者模式，則任務(wù)必須使用函數(shù)的地址注冊，當(dāng)滿足同步條件時調(diào)用。如果使用的是守衛(wèi)調(diào)用模式，則每個Rendezvous對象擁有唯一的信號量，任務(wù)想同步時調(diào)用synchronize()函數(shù)告知給Rendezvous，當(dāng)Rendezvous滿足同步條件時，釋放信號量，并且任務(wù)隨后根據(jù)通常的調(diào)度策略全部釋放運行。

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1.7 同時鎖定模式

首先不考慮軟件自身導(dǎo)致的錯誤，發(fā)生死鎖需要滿足4個條件：

1. 互斥鎖資源。

2. 當(dāng)請求其他資源時，一些資源已經(jīng)鎖定。

3. 當(dāng)資源鎖定是允許搶斷。

4. 存在循環(huán)等待條件。

死鎖能夠通過打破這4個條件的任意一個避免。使用臨界區(qū)模式打破的是條件1和條件3。隊列模式避免了條件1的發(fā)生。

同時鎖定模式是通過破壞條件2達到避免死鎖的目的。模式以全或無的形式工作。要么所有需要的資源一次都鎖定，要么都沒有鎖定。簡單來說在線程需要某個資源的時候，只有把所有的資源都一起上鎖成功，才能成功往下執(zhí)行，這樣就避免了兩個線程都在請求對方的資源造成的死鎖。

1.7.1 模式結(jié)構(gòu)

一般來說，MultimasteredResource是不同資源集合的任意數(shù)目的一部分，其中ResourceMaster的單獨實例管理一個這樣的集合。

1.7.2 角色

1.7.2.1 資源管理（MultimateredResource）

這個元素通過多個ResourceMasters管理，然后他有自己的互斥信號量來避免同時申請鎖。使用QueryMutex必須通過tryLock()函數(shù)，以便能夠通過ResourceMasters決定所有的嘗試鎖定將會是成功或者失敗。

1.7.2.2 互斥量（QueryMutex）

這個算數(shù)是一個正常的互斥信號量，與之前的不用，它提供了tryLock()函數(shù)。這個函數(shù)和lock()函數(shù)目的是一樣的，都是為了上鎖，只是tryLock()函數(shù)除此之外，如果鎖失敗，他將會返回一個錯誤代碼，而不是阻塞當(dāng)前的線程。

1.7.2.3 客戶（ResourceClient）

這個元素是一個客戶，想要一次訪問所有資源集合來避免死鎖。它直接訪問MultimateredResource，直到成功接收到ResourceMaster上的鎖。在使用完資源后釋放。

1.7.2.4 控制鎖（ResourceMaster）

ResourceMaster控制整個資源合集的鎖。

1.7.3 效果

同時鎖定模式通過消除必要條件2，通過一次鎖定所有需要的資源或一個都不鎖防止死鎖。但是這樣會增加了其他任務(wù)執(zhí)行的延時，而且很可能發(fā)生在甚至沒有實際資源的沖突下。在資源更多，更廣泛時出現(xiàn)這種情況更明顯。此外，模式不能解決優(yōu)先級倒置問題，事實上可能更嚴(yán)重。

1.7.4 實現(xiàn)

需要保證tryLock()函數(shù)錯做之前確保成功鎖定MultimasteredResource。

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1.8 排序鎖定

排序鎖定是另一種確保死鎖不會發(fā)生的方法，這次是用過防止條件4發(fā)生。通過對資源排序，并且需要客戶總是按照那個指定的順序鎖定資源，這樣就不可能形成循環(huán)等待條件。

1.8.1 模式結(jié)構(gòu)

1.8.2 角色

1.8.2.1 鎖（Mutex）

與上面的模式一樣，提供兩個基本的函數(shù)lock()和release()。

1.8.2.2 資源管理（OrderedResource）

這個是模式的核心。它有resourceID屬性，是一個唯一的與每個資源關(guān)聯(lián)的ID，并且與ResourceList關(guān)聯(lián)。這個類執(zhí)行的排序鎖定規(guī)則永遠(yuǎn)是：如果資源的resourceID大于任意已鎖定資源最大的resourceID，則資源僅能被鎖定。ResourceClient首先需要調(diào)用lockDyadic()，然后添加到資源列表中，在對資源操作完成之后，調(diào)用releaseDyadic()函數(shù)。書上把這種訪問稱作為二元的，與二元不一樣的一元，差異在一元是在內(nèi)部完成上鎖，使用資源，解鎖。而二元是可以保持在鎖的狀態(tài)，等到資源使用完之后在釋放。

1.8.2.3 客戶（ResourceClient）

代表了想要調(diào)用OrderedResource服務(wù)的元素集合。對于客戶，不需要知道關(guān)于resourceID本身的任何東西。

1.8.2.4 資源列表（ResourceList）

在這個元素里，如果傳遞的resourceID大于已鎖定資源的最大一個，則addLock()返回成功。否則返回失敗。

1.8.2.5 已使用資源（ResourceReference）

這僅是一個在有序列表中包含的resourceID數(shù)組。只是保存一個最大值是不夠的，因為很多資源可能在任何時候鎖定。

1.8.3 效果

模式通過確保所有的客戶按相同的順序鎖定資源來消除死鎖。這個模式需要在設(shè)計時做好分析來規(guī)劃好資源的排序。例如現(xiàn)在有兩個線程，都需要用到資源A，B，C，如果線程1按A，B，C的順序鎖定，線程2按C，B，A的順序鎖定，就有可能發(fā)生死鎖。因此該模式就是為了讓資源都按照規(guī)定的序列來鎖定。

1.8.4 實現(xiàn)

模式的實現(xiàn)需要給每個OrderedResource增加額外的resourceID，并且在ResourceList的邏輯中確保每個OrderedResource的resourceID大于任意當(dāng)前所的resourceID。還有，已經(jīng)上鎖的resourceID的列表必須維護，當(dāng)OrderedResource釋放時，可以適當(dāng)?shù)劓i定其他。

ResourceList最常見的實現(xiàn)是一個按照鎖定順序表示的resourceID整形數(shù)組。

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