ucos中的三种临界区管理机制

时间：2021-10-11 21:00:04

熟悉ucos，或者读过Jean.J.Labrosse写过的ucos书籍的人，一定会知道ucos中著名的临界区管理宏：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。

同样是通过关中断来保护临界区，OS_ENTER_CRITICAL/OS_EXIT_CRITICAL一共实现了三种实现方式，如下所示：

1.       #if OS_CRITICAL_METHOD == 1

2.       #define OS_ENTER_CRITICAL() __asm__("cli")

3.       #define OS_EXIT_CRITICAL() __asm__("sti")

4.       #endif

5.       

6.       #if OS_CRITICAL_METHOD == 2

7.       #define OS_ENTER_CRITICAL() __asm__("pushf \n\t cli")

8.       #define OS_EXIT_CRITICAL() __asm__("popf")

9.       #endif

10.    

11.    #if OS_CRITICAL_METHOD == 3

12.    #define OS_ENTER_CRITICAL() (cpu_sr = OSCPUSaveSR())

13.    #define OS_EXIT_CRITICAL() (OSCPURestoreSR(cpu_sr))

14.    #endif

第一种方式，OS_ENTER_CRITICAL()简单地关中断，OS_EXIT_CRITICAL()简单地开中断。这种方式虽然简单高效，但无法满足嵌套的情况。如果有两层临界区保护，在退出内层临界区时就会开中断，使外层的临界区也失去保护。虽然ucos的内核写的足够好，没有明显嵌套临界区的情况，但谁也无法保证一定没有，无法保证今后没有，无法保证在附加的驱动或什么位置没有，所以基本上第一种方法是没有人用的。

第二种方式，OS_ENTER_CRITICAL()会在关中断前保存之前的标志寄存器内容到堆栈中，OS_EXIT_CRITICAL()从堆栈中恢复之前保存的状态。这样就允许了临界区嵌套的情况。但现在看来，这种方法还存在很大的问题，甚至会出现致命的漏洞。

在OS_CRITICAL_METHOD=2的情况下，假设有如下代码：

  1. function_a()
  2. {
  3. int a=(1<<31);
  4. OS_ENTER_CRITICAL();
  5. function_b(a);
  6. OS_EXIT_CRITICAL();
  7. }

会出现什么情况？在我的实验中，OS_EXIT_CRITICAL()之后，会出现处理器异常。为什么会出现处理起异常，让我来模拟一下它的汇编代码。之所以是模拟，并非是我虚构数据，而是因为我实际碰到问题的函数复杂一些，理解起来就需要更多的代码。而这个问题是有普遍意义的，所以请允许我来浅显地揭示这个隐藏的bug。

  1. function_a:
  2. push ebp
  3. mov ebp, esp
  4. sub esp, 8
  5. mov 4(esp), 0x80000000
  6. pushfd
  7. cli
  8. mov edi, 4(esp)
  9. mov (esp), edi
  10. call function_b
  11. popfd
  12. mov esp, ebp
  13. ret

这是参照了gcc编译结果的汇编模拟，无论是否加优化选项这一问题都存在。这个问题的起因很简单，gcc想聪明一点，一次把堆栈降个够，然后它就可以在栈上随意放参数去调用其他函数。尤其是在调用函数较多的时候，这种做法就更有意义。而且，gcc这种聪明与优化选项O好像没有太大关系，好像没有什么能禁止它这么做。但问题是，gcc不知道我们的OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()是操作了堆栈的，我尝试过使用__asm____volatile__("pushfd \n\tcli":::"memory")来通知gcc内存数据改变了，但显然gcc不认为堆栈也改变了。于是，OS_ENTER_CRITICAL()保存在栈上的状态就被冲掉了，比如被这里调用参数a的值。在恢复时，是否会引发异常，会引发什么异常，这个就要靠运气了。但我相信一个人的运气不会总是那么好的，所以最后别使用OS_CRITICAL_METHOD=2。

第三种，在关中断前，使用局部变量保存中断状态。这也是几乎所有实时操作系统共有的选择。但ucos是一朵奇葩，为了兼容前两种方式，OS_ENTER_CRITICAL()/ OS_EXIT_CRITICAL()宏定义并没有提供传递状态参数的功能。所以它的临界去必须这么用：

  1. function_a()
  2. {
  3. #if OS_CRITICAL_METHOD == 3
  4. int cpu_sr;
  5. #endif
  6. int a = 1<<31;
  7. OS_ENTER_CRITICAL();
  8. function_b(a);
  9. OS_EXIT_CRITICAL();
  10. }

这种代码怎么看怎么别扭，可能是因为在函数体内加了宏定义吧。然后，第三种方法对同一个函数体内的嵌套临界区无法支持，这在一些很长大的函数中使用时或许会造成一定困扰。 好吧，如果有了问题，就要有解决方案，毕竟我不是为了让大家对ucos失去信心的。我们可以参考下一般的实时操作系统是如何实现关中断临界区的，就是以显式的方式用局部变量保存中断状态。

int_lock()和int_unlock()的可以用汇编更高效地实现，也可以选择只恢复中断标志的状态。这种方法让我们显示地管理状态保存的情况，我觉得至少要比宏定义清楚多了。

  1. int int_lock()
  2. {
  3. int cpu_sr;
  4. __asm__ __volatile__("pushfd \n\t pop %0\n\t cli":"=r"(cpu_sr));
  5. return cpu_sr;
  6. }
  7. void int_unlock(int cpu_sr)
  8. {
  9. __asm__ __volatile__("push %0\n\t popfd"::"r"(cpu_sr));
  10. }
  11. function_a()
  12. {
  13. int a, cpu_sr;
  14. a=1<<31;
  15. cpu_sr = int_lock();
  16. function_b(a);
  17. int_unlock(cpu_sr);
  18. }

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