2. 死鎖的本質(zhì)不是bug是資源分配的“死局”先想一個(gè)生活場(chǎng)景一條很窄的單行橋上兩輛車(chē)迎面相遇誰(shuí)都不肯倒車(chē)結(jié)果誰(shuí)都過(guò)不去。如果兩輛車(chē)一直僵持那這條橋就徹底廢了。操作系統(tǒng)里的死鎖Deadlock就是這個(gè)味道——一組進(jìn)程線程各自占著一些資源又在等對(duì)方手里的資源而且誰(shuí)都不主動(dòng)放手結(jié)果所有進(jìn)程全部卡死系統(tǒng)調(diào)度再努力也白搭。在計(jì)算機(jī)四級(jí)嵌入式考綱里死鎖是操作系統(tǒng)原理的必考核心而且這塊內(nèi)容和實(shí)際嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性關(guān)系極大。你可以把它理解成“資源分配里的死局”每個(gè)進(jìn)程都像在飯桌上搶菜但每個(gè)人的筷子都被別人拿著大家大眼瞪小眼誰(shuí)也沒(méi)法繼續(xù)吃。死鎖的本質(zhì)不是程序邏輯寫(xiě)錯(cuò)了雖然邏輯設(shè)計(jì)不當(dāng)往往是誘因而是“資源分配策略”和“進(jìn)程推進(jìn)順序”共同作用下的系統(tǒng)性僵局。它不同于普通的程序崩潰——崩潰至少是“有個(gè)錯(cuò)誤被逮住了”而死鎖是“所有進(jìn)程看起來(lái)都活著但沒(méi)有任何一個(gè)能繼續(xù)推進(jìn)”。這就是為什么嵌入式系統(tǒng)里死鎖問(wèn)題特別讓人頭疼現(xiàn)象不是立刻崩而是系統(tǒng)“慢慢咽氣”或者干脆在某次特定運(yùn)行條件下才暴露。2.1 四個(gè)必要條件缺一不可才算死鎖判斷一個(gè)系統(tǒng)是否可能發(fā)生死鎖先看四個(gè)必要條件。這四者在嵌入式考試?yán)飵缀跏潜乇晨键c(diǎn)而且它們之間是“同時(shí)滿足”的關(guān)系不是“或”。第一個(gè)條件互斥Mutual Exclusion資源同一時(shí)刻只能被一個(gè)進(jìn)程占用。比如一個(gè)串口、一塊共享內(nèi)存、一個(gè)硬件定時(shí)器這些資源天然具有互斥性。如果資源可以無(wú)限共享那根本不會(huì)因?yàn)椤罢加谩倍a(chǎn)生等待。第二個(gè)條件持有并等待Hold and Wait進(jìn)程已經(jīng)占著一些資源又在等待別的資源。這個(gè)過(guò)程不會(huì)主動(dòng)釋放已經(jīng)拿到手的資源。典型場(chǎng)景進(jìn)程A獲得打印機(jī)又去申請(qǐng)掃描儀進(jìn)程B獲得掃描儀又去申請(qǐng)打印機(jī)。雙方都“抱著自己的不放又惦記別人的”。第三個(gè)條件不可剝奪No Preemption進(jìn)程所占資源不能被系統(tǒng)強(qiáng)行搶走只能由持有者主動(dòng)釋放。注意嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)里有些資源其實(shí)是可以被剝奪的比如通過(guò)優(yōu)先級(jí)繼承或資源重置但如果所有資源都設(shè)計(jì)成不可剝奪死鎖風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)上升。第四個(gè)條件循環(huán)等待Circular Wait存在一個(gè)進(jìn)程等待環(huán)路P1等P2的資源P2等P3的資源P3等P1的資源形成一個(gè)閉合環(huán)。這是死鎖最直觀的“形態(tài)特征”也是我們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)中最容易通過(guò)資源排序來(lái)破壞的一個(gè)條件。把這四個(gè)條件記成一句話互斥、持有等待、不可剝奪、循環(huán)等待。只要打破任意一個(gè)死鎖就不可能成立。備考時(shí)遇到判斷題或分析題第一件事就是拿這四個(gè)條件去套題干場(chǎng)景。2.2 一個(gè)最小死鎖示例拿串口和DMA通道說(shuō)事嵌入式系統(tǒng)里最常見(jiàn)的死鎖場(chǎng)景之一就是多個(gè)任務(wù)搶共享外設(shè)資源。我寫(xiě)一個(gè)極簡(jiǎn)的偽代碼示例幫你直觀感受死鎖的誕生過(guò)程// 任務(wù)1先拿串口再拿DMA通道 void task1(void) { lock(serial_port); // 步驟1獲得串口 lock(dma_channel); // 步驟2等DMA通道此時(shí)可能被任務(wù)2占著 // 使用串口DMA傳輸數(shù)據(jù) unlock(dma_channel); unlock(serial_port); } // 任務(wù)2先拿DMA通道再拿串口 void task2(void) { lock(dma_channel); // 步驟1獲得DMA通道 lock(serial_port); // 步驟2等串口此時(shí)可能被任務(wù)1占著 // 使用DMA串口接收數(shù)據(jù) unlock(serial_port); unlock(dma_channel); }如果任務(wù)1執(zhí)行完lock(serial_port)后調(diào)度器切到任務(wù)2任務(wù)2執(zhí)行完lock(dma_channel)那循環(huán)等待就形成了任務(wù)1等待DMA通道任務(wù)2等待串口誰(shuí)都不松手。這個(gè)例子在真實(shí)嵌入式系統(tǒng)中很常見(jiàn)——特別是用多個(gè)外設(shè)做數(shù)據(jù)采集與傳輸時(shí)資源申請(qǐng)順序不一致就會(huì)埋雷。提示判斷死鎖的關(guān)鍵并不是“兩個(gè)任務(wù)都在等”而是“等待是否形成了環(huán)”。如果任務(wù)2的執(zhí)行順序調(diào)整為“先拿串口再拿DMA通道”和任務(wù)1保持一致就不會(huì)有環(huán)也就不會(huì)死鎖。這里“資源順序”就是破局的第一把鑰匙。3. 死鎖的三種解法預(yù)防、避免、檢測(cè)恢復(fù)從系統(tǒng)工程角度看處理死鎖有三種思路它們的側(cè)重點(diǎn)完全不同。嵌入式考試?yán)锝?jīng)常會(huì)把這三種思路放在一起對(duì)比考察讓你判斷某個(gè)系統(tǒng)用了哪種策略。我用一張表格快速梳理一下策略類(lèi)型核心思路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)典型應(yīng)用場(chǎng)景死鎖預(yù)防Prevention從源頭破壞四個(gè)必要條件之一簡(jiǎn)單、確定性高資源利用率偏低小型嵌入式裸機(jī)系統(tǒng)死鎖避免Avoidance動(dòng)態(tài)判斷資源分配是否安全不安全就不分配資源利用率較高需要預(yù)知進(jìn)程最大需求實(shí)現(xiàn)復(fù)雜銀行家算法為代表的通用OS死鎖檢測(cè)與恢復(fù)Detection Recovery允許死鎖發(fā)生周期性檢測(cè)并解除不限制進(jìn)程行為檢測(cè)延遲、恢復(fù)代價(jià)高大型服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)3.1 死鎖預(yù)防從設(shè)計(jì)上絕掉后路預(yù)防的核心思想特別簡(jiǎn)單讓四個(gè)必要條件至少一個(gè)永遠(yuǎn)不成立。具體手法如下破壞互斥條件讓資源變成“可同時(shí)共享”。但嵌入式系統(tǒng)里串口、I2C總線、Flash寫(xiě)入這類(lèi)資源天生就是互斥的不可能讓兩個(gè)任務(wù)同時(shí)寫(xiě)同一個(gè)串口所以這個(gè)條件實(shí)際上很難破壞。這也是為什么“破壞互斥”在實(shí)際系統(tǒng)中極少被采用——資源本身的物理屬性決定了它必須互斥。破壞持有并等待條件要求進(jìn)程在運(yùn)行前一次性申請(qǐng)所有需要的資源申請(qǐng)不到就一個(gè)都不拿。這種“全有或全無(wú)”的分配方式實(shí)現(xiàn)了“不允許邊持有邊等待”但從資源利用率角度看很浪費(fèi)——任務(wù)可能只需要5%的CPU時(shí)間卻要把所有相關(guān)資源都占滿。在資源緊張的嵌入式系統(tǒng)里這種方案往往不劃算。破壞不可剝奪條件允許系統(tǒng)強(qiáng)行收回資源。這個(gè)方案在嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)里是比較實(shí)用的——當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)需要的資源被低優(yōu)先級(jí)任務(wù)占著時(shí)RTOS可以通過(guò)優(yōu)先級(jí)繼承機(jī)制或資源重置來(lái)剝奪。但注意剝奪資源可能造成數(shù)據(jù)丟失或狀態(tài)不一致比如一個(gè)正在寫(xiě)Flash的進(jìn)程被強(qiáng)行打斷Flash里的數(shù)據(jù)可能就廢了。所以“破壞不可剝奪”要謹(jǐn)慎用一般只適合可重置、損失可容忍的資源。破壞循環(huán)等待條件給所有資源編號(hào)要求所有任務(wù)必須按編號(hào)從小到大申請(qǐng)資源。這是嵌入式領(lǐng)域最常用也最有效的預(yù)防手段因?yàn)樗鼜倪壿嬌献尛h(huán)路永遠(yuǎn)無(wú)法形成。只要每個(gè)任務(wù)都遵循“先拿低編號(hào)資源再拿高編號(hào)資源”那所有等待方向都是一致的不可能出現(xiàn)“P1等P2P2又等P1”的循環(huán)。我對(duì)資源編號(hào)法的評(píng)價(jià)是它簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、對(duì)系統(tǒng)性能影響小代價(jià)是編程時(shí)需要額外遵守一套申請(qǐng)順序規(guī)范。一個(gè)典型的做法是// 定義資源編號(hào) #define RES_LOCK_SERIAL 1 // 串口鎖 #define RES_LOCK_DMA 2 // DMA通道鎖 #define RES_LOCK_SPI 3 // SPI總線鎖 #define RES_LOCK_FLASH 4 // Flash寫(xiě)鎖 // 所有任務(wù)只能按編號(hào)升序申請(qǐng)資源 // 例如先申請(qǐng)串口(1)再申請(qǐng)DMA(2)最后申請(qǐng)F(tuán)lash(4) void task_capture_and_store(void) { lock(RES_LOCK_SERIAL); lock(RES_LOCK_DMA); lock(RES_LOCK_FLASH); // 執(zhí)行采集存儲(chǔ) unlock(RES_LOCK_FLASH); unlock(RES_LOCK_DMA); unlock(RES_LOCK_SERIAL); }這套方式的本質(zhì)是“把并發(fā)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為順序問(wèn)題”在工程上非常香。實(shí)際嵌入式開(kāi)發(fā)里很多成熟的RTOS方案比如基于信號(hào)量或互斥鎖的資源管理都會(huì)建議開(kāi)發(fā)者對(duì)共享資源做編號(hào)管理目的不是別的就是防止死鎖。3.2 死鎖避免銀行家算法與安全狀態(tài)死鎖避免的代表算法就是著名的銀行家算法Bankers Algorithm。它的思路有點(diǎn)像銀行貸款審批銀行在放貸前要確認(rèn)這筆錢(qián)貸出去后系統(tǒng)里還剩下足夠的錢(qián)能讓所有客戶最多完成他們的需求。如果可以就放貸如果不可以就拒絕免得客戶最后還不上錢(qián)把銀行拖垮。對(duì)應(yīng)到操作系統(tǒng)里資源就是“錢(qián)”進(jìn)程就是“客戶”。銀行家算法要求每個(gè)進(jìn)程提前聲明自己“最多需要多少資源”Max。系統(tǒng)手里有一個(gè)“剩余資源向量”Available。每次進(jìn)程申請(qǐng)資源時(shí)系統(tǒng)做一次安全性檢查假設(shè)把這筆資源分配給你剩下的資源能否讓所有進(jìn)程都走到終點(diǎn)。如果能當(dāng)前狀態(tài)就是“安全狀態(tài)”Safe State可以分配否則就拒絕分配讓進(jìn)程等。安全性檢查算法本身不難核心就是模擬推進(jìn)找“剩余資源能滿足其最大需求”的進(jìn)程讓它執(zhí)行完畢、釋放資源然后再找下一個(gè)直到所有進(jìn)程都能完成。如果存在一個(gè)完整的安全執(zhí)行序列就說(shuō)明系統(tǒng)是安全的。但在嵌入式領(lǐng)域銀行家算法的應(yīng)用非常有限原因有三個(gè)難以預(yù)知每個(gè)任務(wù)的資源最大需求。嵌入式系統(tǒng)里很多任務(wù)是動(dòng)態(tài)創(chuàng)建、動(dòng)態(tài)申請(qǐng)資源的提前聲明Max值很麻煩。檢查算法本身有一定開(kāi)銷(xiāo)在實(shí)時(shí)性要求高的系統(tǒng)中這個(gè)開(kāi)銷(xiāo)不可忽視。嵌入式系統(tǒng)資源種類(lèi)繁多每個(gè)任務(wù)可能要鎖串口、鎖I2C、鎖DMA、鎖Flash、鎖內(nèi)存池資源矩陣規(guī)模一大更新和檢查的成本就上去了。所以我個(gè)人建議考試要會(huì)用銀行家算法做題主要是安全序列推導(dǎo)但做嵌入式工程時(shí)優(yōu)先考慮資源編號(hào)法這類(lèi)預(yù)防手段。銀行家算法更適合通用操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)這類(lèi)資源種類(lèi)少但并發(fā)度高的場(chǎng)景。3.3 死鎖檢測(cè)與恢復(fù)事后的“救火隊(duì)”檢測(cè)與恢復(fù)策略的思路是不預(yù)防、不避免讓死鎖發(fā)生然后事后發(fā)現(xiàn)并救回來(lái)。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中周期性檢查“當(dāng)前資源分配圖”是否存在環(huán)路如果存在環(huán)路說(shuō)明有死鎖就啟動(dòng)恢復(fù)機(jī)制。環(huán)路檢測(cè)的關(guān)鍵是維護(hù)一張“資源分配圖”Resource Allocation Graph圖中包含兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)程節(jié)點(diǎn)和資源節(jié)點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程申請(qǐng)一個(gè)資源時(shí)畫(huà)一條從進(jìn)程指向資源的“請(qǐng)求邊”當(dāng)一個(gè)進(jìn)程占有一個(gè)資源時(shí)畫(huà)一條從資源指向進(jìn)程的“分配邊”。如果圖中存在環(huán)就說(shuō)明死鎖發(fā)生了。恢復(fù)手段一般有三種直接終止一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程簡(jiǎn)單粗暴終止哪個(gè)進(jìn)程需要權(quán)衡犧牲優(yōu)先級(jí)最低、工作量最少的那個(gè)通常是較好的選擇。資源搶占從某個(gè)進(jìn)程手里搶走資源分配給另一個(gè)進(jìn)程但被搶的進(jìn)程需要回滾到安全點(diǎn)。這在嵌入式場(chǎng)景里實(shí)現(xiàn)成本很高因?yàn)楹芏嗤庠O(shè)根本無(wú)法“回滾”。人工介入嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)死鎖時(shí)很多時(shí)候只能靠看門(mén)狗Watchdog復(fù)位系統(tǒng)。這也算是一種“恢復(fù)”——代價(jià)是整個(gè)系統(tǒng)重啟實(shí)時(shí)性任務(wù)全部被打斷。說(shuō)實(shí)話在嵌入式領(lǐng)域檢測(cè)與恢復(fù)策略通常是最后的底線手段不是首選。真正靠譜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要在“資源申請(qǐng)順序”和“鎖粒度”上下功夫盡量做到“死鎖不發(fā)生”。4. 嵌入式RTOS里的經(jīng)典死鎖場(chǎng)景互斥鎖與優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)嵌入式系統(tǒng)里用的最多的是RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)而RTOS里死鎖問(wèn)題的呈現(xiàn)方式和通用OS還不太一樣額外疊加了一個(gè)“優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)”P(pán)riority Inversion的坑。這塊內(nèi)容考試?yán)锝?jīng)常和死鎖放一起考因?yàn)樗鼈z在癥狀上很像都是任務(wù)卡住不動(dòng)。但處理方式完全不同我在這里單獨(dú)拎出來(lái)講清楚。4.1 優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)癥狀像死鎖但解法完全不同先看一個(gè)經(jīng)典場(chǎng)景系統(tǒng)有三個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)從高到低分別是T1高、T2中、T3低。T3先運(yùn)行拿到了一把互斥鎖。T1就緒搶占CPU嘗試拿同一把鎖但鎖被T3占著T1阻塞等待。T2此時(shí)就緒它不搶鎖但它的優(yōu)先級(jí)比T3高于是T2搶占CPU運(yùn)行。T3被T2搶占了CPU但還抱著鎖不放。T1還在等鎖。T2一直運(yùn)行T3一直無(wú)法推進(jìn)鎖就一直無(wú)法釋放T1就一直卡死。從表面上看這就像死鎖高優(yōu)先級(jí)任務(wù)T1在等一個(gè)永遠(yuǎn)可能等不到的鎖。但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)這不是死鎖——因?yàn)檫@里沒(méi)有“循環(huán)等待”T3并沒(méi)有在等T1的資源它只是被T2搶占導(dǎo)致無(wú)法釋放鎖。這是一種“優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)”問(wèn)題。解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)手段是優(yōu)先級(jí)繼承Priority Inheritance和優(yōu)先級(jí)天花板Priority Ceiling優(yōu)先級(jí)繼承當(dāng)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)T1等待低優(yōu)先級(jí)任務(wù)T3持有的鎖時(shí)把T3的優(yōu)先級(jí)臨時(shí)提升到T1的級(jí)別讓T3盡快運(yùn)行、盡快釋放鎖。優(yōu)先級(jí)天花板給每把鎖設(shè)定一個(gè)“天花板優(yōu)先級(jí)”等于所有可能使用該鎖的任務(wù)的最高優(yōu)先級(jí)。任何任務(wù)拿到鎖時(shí)它的優(yōu)先級(jí)自動(dòng)升到天花板級(jí)別。這兩個(gè)機(jī)制能有效避免“中等優(yōu)先級(jí)任務(wù)長(zhǎng)期搶占導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)任務(wù)餓死”的惡性現(xiàn)象。需要注意的是優(yōu)先級(jí)繼承解決的是“反轉(zhuǎn)”問(wèn)題而不是死鎖。如果你的系統(tǒng)同時(shí)存在優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)和資源申請(qǐng)順序不一致那就要雙管齊下一邊用優(yōu)先級(jí)繼承/天花板一邊用資源編號(hào)法。注意考試?yán)锝?jīng)常有這種陷阱題——“系統(tǒng)中有多個(gè)任務(wù)互相等待對(duì)方持有的資源且形成了循環(huán)等待”問(wèn)你這是什么問(wèn)題。答案是死鎖。但如果題干改成“高優(yōu)先級(jí)任務(wù)等待低優(yōu)先級(jí)任務(wù)釋放鎖中等優(yōu)先級(jí)任務(wù)一直搶占CPU”那答案就是優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。把這兩種現(xiàn)象的判定特征理清楚基本不會(huì)錯(cuò)。4.2 RTOS互斥鎖使用時(shí)的三個(gè)實(shí)操建議在實(shí)際嵌入式項(xiàng)目里互斥鎖Mutex的使用有幾個(gè)成熟經(jīng)驗(yàn)值得遵守建議一所有任務(wù)對(duì)同一組共享資源的加鎖順序必須一致。這是預(yù)防死鎖最核心的工程紀(jì)律。假設(shè)項(xiàng)目里有串口和Flash兩個(gè)共享資源那就規(guī)定所有任務(wù)只能“先鎖串口再鎖Flash”不允許出現(xiàn)“先Flash后串口”的寫(xiě)法。代碼Review時(shí)要重點(diǎn)盯這一條。建議二鎖的持有時(shí)間盡量短。鎖的范圍越小、持有鎖的時(shí)間越短發(fā)生死鎖和性能瓶頸的概率就越低。一個(gè)常見(jiàn)的反面案例是有人在中斷處理里加鎖或者在長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算過(guò)程中一直持有鎖這些都會(huì)讓系統(tǒng)變得極其脆弱。中斷上下文里一般只做標(biāo)記或數(shù)據(jù)拷貝不要直接加鎖等待。建議三使用超時(shí)機(jī)制給鎖加上“護(hù)欄”。很多RTOS的互斥鎖API支持超時(shí)參數(shù)比如等待50ms、100ms等。給鎖等待加上超時(shí)后即使因?yàn)槟承┎豢深A(yù)知的原因真的發(fā)生了死鎖任務(wù)也不會(huì)無(wú)限期卡死而是會(huì)超時(shí)返回錯(cuò)誤碼這樣系統(tǒng)就有機(jī)會(huì)進(jìn)行恢復(fù)或上報(bào)異常。雖然超時(shí)機(jī)制并不能根除死鎖但它能把“死局”變成“可察覺(jué)、可恢復(fù)的異常”在工程里特別實(shí)用。4.3 用信號(hào)量與互斥鎖的區(qū)別再看一遍死鎖嵌入式系統(tǒng)里還有一類(lèi)并發(fā)原語(yǔ)叫信號(hào)量Semaphore。信號(hào)量分二值信號(hào)量和計(jì)數(shù)信號(hào)量?jī)煞N二值信號(hào)量和互斥鎖在用法上特別像但兩者有本質(zhì)區(qū)別互斥鎖Mutex有“所有權(quán)”概念誰(shuí)加的鎖只能由誰(shuí)釋放適合保護(hù)共享資源。信號(hào)量Semaphore沒(méi)有所有權(quán)概念一個(gè)任務(wù)釋放信號(hào)量另一個(gè)任務(wù)可以獲取信號(hào)量常用于任務(wù)間“事件通知”或“計(jì)數(shù)資源管理”。從死鎖風(fēng)險(xiǎn)看互斥鎖必須要關(guān)注“加鎖順序”否則死鎖概率很高信號(hào)量由于沒(méi)有所有權(quán)它更多用于“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”模型死鎖風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)低一些但依然存在比如兩個(gè)任務(wù)都等待對(duì)方發(fā)信號(hào)量就會(huì)形成“活鎖”式的僵局。我見(jiàn)過(guò)不少嵌入式開(kāi)發(fā)新手在項(xiàng)目里不加區(qū)分地混用互斥鎖和信號(hào)量結(jié)果出現(xiàn)問(wèn)題后很難排查。我的建議是保護(hù)共享資源優(yōu)先用互斥鎖任務(wù)間通信或事件通知優(yōu)先用信號(hào)量。這樣邏輯清晰出問(wèn)題也好定位。5. 死鎖排查一個(gè)真實(shí)的嵌入式故障分析過(guò)程前面講了原理和預(yù)防手段但真實(shí)項(xiàng)目中死鎖問(wèn)題往往不會(huì)在你寫(xiě)完代碼的當(dāng)下就暴露出來(lái)。它通常是在某次壓力測(cè)試、某次極端時(shí)序下突然出現(xiàn)的。下面我分享一個(gè)模擬項(xiàng)目X中“系統(tǒng)間歇性卡死”的排查實(shí)錄幫你理解真實(shí)場(chǎng)景里的死鎖長(zhǎng)什么樣。5.1 故障現(xiàn)象與初步判斷模擬項(xiàng)目X是一套基于某RTOS的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)里面有4個(gè)主要任務(wù)采集任務(wù)C負(fù)責(zé)從傳感器讀取數(shù)據(jù)通過(guò)DMA搬運(yùn)到內(nèi)存然后通過(guò)串口發(fā)送。顯示任務(wù)D負(fù)責(zé)把采集到的數(shù)據(jù)在屏幕上刷新。存儲(chǔ)任務(wù)S負(fù)責(zé)把壓縮后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入外部Flash。通信任務(wù)N負(fù)責(zé)通過(guò)以太網(wǎng)口上報(bào)數(shù)據(jù)。某天測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)偶爾運(yùn)行十幾分鐘后所有任務(wù)全部停住串口不再輸出屏幕畫(huà)面定格看門(mén)狗沒(méi)有觸發(fā)板子“假死”。當(dāng)時(shí)第一反應(yīng)是“系統(tǒng)卡在死循環(huán)里了”。但用調(diào)試器掛上去一看發(fā)現(xiàn)各個(gè)任務(wù)都停在lock調(diào)用上CPU占用率卻不為零——這說(shuō)明不是死循環(huán)而是多個(gè)任務(wù)在互相等待鎖。我立刻開(kāi)始抓資源申請(qǐng)順序。通過(guò)調(diào)試器查看每個(gè)任務(wù)當(dāng)前持有的鎖和正在等待的鎖很快就還原出真實(shí)的死鎖鏈路任務(wù)C持有串口鎖正在等Flash寫(xiě)鎖任務(wù)S持有Flash寫(xiě)鎖正在等串口鎖。兩個(gè)任務(wù)互相等環(huán)形成了。這就是教科書(shū)級(jí)別的死鎖。5.2 根因分析為什么之前沒(méi)被發(fā)現(xiàn)問(wèn)題根因是任務(wù)C和任務(wù)S的加鎖順序不一致。任務(wù)C的代碼路徑里是先鎖串口、再鎖Flash而任務(wù)S的代碼路徑里是先鎖Flash、再鎖串口。正常情況下兩個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行且恰好“交錯(cuò)申請(qǐng)”的概率不高所以前期測(cè)試沒(méi)暴露。但在壓力測(cè)試中數(shù)據(jù)量增大任務(wù)C和任務(wù)S并發(fā)執(zhí)行的頻率大幅提升死鎖觸發(fā)概率就上來(lái)了。這也解釋了為什么死鎖問(wèn)題最怕“偶現(xiàn)”——它和時(shí)間、負(fù)載強(qiáng)相關(guān)單次功能測(cè)試往往覆蓋不到。我們?cè)诖aReview階段沒(méi)有嚴(yán)格要求“全局統(tǒng)一資源編號(hào)”所以在設(shè)計(jì)階段就埋下了隱患。5.3 解決方案與經(jīng)驗(yàn)沉淀我當(dāng)時(shí)的修復(fù)方案很簡(jiǎn)單但很有效給共享資源定義全局編號(hào)規(guī)定任務(wù)C和任務(wù)S都必須按“串口鎖 - Flash寫(xiě)鎖”的順序申請(qǐng)。改完代碼后壓力測(cè)試連續(xù)跑48小時(shí)死鎖再?zèng)]復(fù)現(xiàn)。從這個(gè)案例里我總結(jié)出三條嵌入式死鎖排查經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)一用調(diào)試器看任務(wù)棧和鎖狀態(tài)準(zhǔn)確定位環(huán)。不要靠猜。先在調(diào)試環(huán)境里掛到目標(biāo)板上查看每個(gè)任務(wù)的“持有鎖列表”和“等待鎖列表”還原出完整的資源申請(qǐng)圖。只要發(fā)現(xiàn)環(huán)就百分之百是死鎖。經(jīng)驗(yàn)二代碼Review階段就要檢查和統(tǒng)一加鎖順序。很多死鎖問(wèn)題是“設(shè)計(jì)階段不統(tǒng)一、寫(xiě)代碼時(shí)各寫(xiě)各的”造成的。如果項(xiàng)目里有多個(gè)人并行開(kāi)發(fā)一定要在資源鎖的使用規(guī)范上達(dá)成一致最好寫(xiě)在編碼規(guī)范里。經(jīng)驗(yàn)三引入“鎖超時(shí)”作為源碼級(jí)保護(hù)。給所有l(wèi)ock調(diào)用加上超時(shí)參數(shù)一旦超時(shí)就記錄日志并嘗試恢復(fù)。這樣即使預(yù)防措施沒(méi)到位問(wèn)題也能被快速定位不至于在現(xiàn)場(chǎng)“假死”時(shí)無(wú)從下手。另外補(bǔ)充一點(diǎn)在嵌入式系統(tǒng)里死鎖伴隨的常見(jiàn)癥狀往往是“任務(wù)無(wú)響應(yīng)、看門(mén)狗未觸發(fā)”。很多人看到這種現(xiàn)象會(huì)先懷疑中斷或任務(wù)優(yōu)先級(jí)配置但如果你能在調(diào)試器里看到多個(gè)任務(wù)卡在lock上那基本可以直接鎖定死鎖方向。6. 死鎖考點(diǎn)拆解與備考做題技巧最后這部分專門(mén)服務(wù)備考計(jì)算機(jī)四級(jí)嵌入式的同學(xué)。死鎖在考綱里屬于“操作系統(tǒng)原理”的難點(diǎn)模塊出題形式以選擇、判斷、簡(jiǎn)答為主偶爾會(huì)有“安全性分析”類(lèi)的大題。我結(jié)合真題風(fēng)格梳理了幾個(gè)高頻考點(diǎn)和做題技巧。6.1 高頻考點(diǎn)清單考點(diǎn)一死鎖的四個(gè)必要條件。題目通常是“以下哪個(gè)條件不是死鎖的必要條件”或者“下列哪種情況不屬于死鎖的四個(gè)必要條件之一”。這類(lèi)題的干擾項(xiàng)很喜歡設(shè)置“饑餓”“活鎖”“優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)”等概念你需要把死鎖和這些相鄰概念嚴(yán)格區(qū)分開(kāi)?？键c(diǎn)二死鎖預(yù)防的四種方法。核心是每種方法破壞哪個(gè)條件。比如“資源一次性申請(qǐng)”對(duì)應(yīng)破壞“持有并等待”“資源編號(hào)排序法”對(duì)應(yīng)破壞“循環(huán)等待”“允許搶占”對(duì)應(yīng)破壞“不可剝奪”。考點(diǎn)三銀行家算法的安全序列推導(dǎo)。給你一張進(jìn)程-資源需求表讓你判斷系統(tǒng)是否安全以及求一個(gè)安全執(zhí)行序列。這類(lèi)題目看起來(lái)復(fù)雜但只要有固定的解題套路模擬分配并反復(fù)掃描就能穩(wěn)定拿分?？键c(diǎn)四資源分配圖與死鎖判斷。給一張資源分配圖問(wèn)是否存在死鎖。判斷方法是找環(huán)資源分配圖里有環(huán)且有向環(huán)上每類(lèi)資源數(shù)量都滿足“占滿”條件那死鎖成立。要注意的是一般圖論里有環(huán)還不一定死鎖比如資源數(shù)量大于1時(shí)環(huán)內(nèi)某個(gè)資源還有盈余要結(jié)合“資源實(shí)例數(shù)量”仔細(xì)看?？键c(diǎn)五死鎖與饑餓、活鎖的區(qū)別。死鎖是“永久相互等待”饑餓是“進(jìn)程長(zhǎng)期得不到資源但系統(tǒng)還在推進(jìn)”活鎖是“進(jìn)程狀態(tài)在變化但就是無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的推進(jìn)”。三者極易混淆做題時(shí)要把定義咬準(zhǔn)。6.2 銀行家算法做題步驟完整示例我用一個(gè)小數(shù)據(jù)量的例子演示一遍標(biāo)準(zhǔn)解法假設(shè)系統(tǒng)有3類(lèi)資源A、B、C總量分別是10, 5, 7。當(dāng)前系統(tǒng)里有如下5個(gè)進(jìn)程它們的最大需求Max、已分配Allocation、剩余需求量Need如下進(jìn)程Max (A,B,C)Allocation (A,B,C)Need (A,B,C) Max - AllocationP0(7, 5, 3)(0, 1, 0)(7, 4, 3)P1(3, 2, 2)(2, 0, 0)(1, 2, 2)P2(9, 0, 2)(3, 0, 2)(6, 0, 0)P3(2, 2, 2)(2, 1, 1)(0, 1, 1)P4(4, 3, 3)(0, 0, 2)(4, 3, 1)當(dāng)前分配總量A類(lèi)023207B類(lèi)100102C類(lèi)002125。 剩余資源向量Available 總資源量 - 當(dāng)前分配總量 (10-7, 5-2, 7-5) (3, 3, 2)。接下來(lái)找一個(gè)能“滿足Need且不超過(guò)Available”的進(jìn)程P0需要(7,4,3)Available是(3,3,2)不夠跳過(guò)。P1需要(1,2,2)Available是(3,3,2)夠。讓P1執(zhí)行完畢釋放它的Allocation2,0,0Available變?yōu)?32, 30, 20)(5,3,2)。繼續(xù)找P3需要(0,1,1)Available(5,3,2)夠。讓P3執(zhí)行完釋放(2,1,1)Available變?yōu)?7,4,3)。再找P4需要(4,3,1)Available(7,4,3)夠。讓P4執(zhí)行完釋放(0,0,2)Available變?yōu)?7,4,5)。再找P0需要(7,4,3)Available(7,4,5)夠。讓P0執(zhí)行完釋放Allocation(0,1,0)Available變?yōu)?7,5,5)。最后P2需要(6,0,0)Available(7,5,5)夠。全部進(jìn)程都能完成。安全序列之一是P1 - P3 - P4 - P0 - P2。做題時(shí)只要按這個(gè)流程走基本不會(huì)失分。關(guān)鍵點(diǎn)是每次模擬執(zhí)行完一個(gè)進(jìn)程后Available要加上它的Allocation然后再找下一個(gè)可以執(zhí)行的進(jìn)程。不要搞混“Need”和“Allocation”——釋放資源時(shí)釋放的是Allocation不是Need。6.3 考場(chǎng)上容易踩的三個(gè)坑坑一分不清“死鎖”和“不安全狀態(tài)”。不安全狀態(tài)是“可能發(fā)生死鎖”并不是“一定發(fā)生死鎖”。銀行家算法拒絕的資源請(qǐng)求會(huì)使系統(tǒng)進(jìn)入不安全狀態(tài)但拒絕它之后系統(tǒng)依然是安全的。做題時(shí)要注意安全狀態(tài)一定不會(huì)死鎖但不安全狀態(tài)不一定立刻死鎖?？佣选把h(huán)等待”當(dāng)成死鎖的充分條件。資源分配圖里有環(huán)不一定死鎖例如環(huán)內(nèi)的某類(lèi)資源還有空閑實(shí)例但四個(gè)必要條件全滿足時(shí)就一定死鎖?？荚?yán)锵矚g用“有環(huán)死鎖”這種不嚴(yán)謹(jǐn)說(shuō)法當(dāng)干擾項(xiàng)?？尤梆囸I”和“死鎖”混為一談。饑餓的進(jìn)程并沒(méi)有形成循環(huán)等待只是某個(gè)進(jìn)程一直得不到資源。比如低優(yōu)先級(jí)任務(wù)長(zhǎng)期被高優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占就是一種饑餓但它不是死鎖。判斷時(shí)先看“有沒(méi)有環(huán)”。7. 最后的實(shí)戰(zhàn)建議死鎖防治要在“設(shè)計(jì)階段”下手回頭看這篇文章你會(huì)發(fā)現(xiàn)死鎖問(wèn)題的本質(zhì)在于“并發(fā)資源分配”這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題而不是簡(jiǎn)單的編碼錯(cuò)誤。它決定了你的系統(tǒng)在極端負(fù)載下是穩(wěn)定運(yùn)行還是突然假死。我個(gè)人在嵌入式項(xiàng)目里的體會(huì)是死鎖防治要前置到架構(gòu)設(shè)計(jì)階段而不是等出了問(wèn)題再靠檢測(cè)和恢復(fù)兜底。具體來(lái)說(shuō)可以在項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)就做這幾件事第一梳理所有共享資源和它們的使用者做一張“資源-任務(wù)矩陣”。哪個(gè)任務(wù)會(huì)用到哪些資源、什么順序申請(qǐng)全部畫(huà)出來(lái)。只要在矩陣?yán)锇l(fā)現(xiàn)“加鎖順序有交叉”的跡象立刻調(diào)整設(shè)計(jì)。第二寫(xiě)編碼規(guī)范時(shí)明確資源申請(qǐng)順序和鎖使用邊界。特別是多人協(xié)作的項(xiàng)目如果每個(gè)人都有自己的加鎖習(xí)慣死鎖風(fēng)險(xiǎn)會(huì)成倍增加。規(guī)范里可以強(qiáng)制要求所有互斥鎖申請(qǐng)必須按資源編號(hào)升序進(jìn)行如果確實(shí)需要反序申請(qǐng)必須走評(píng)審流程。第三在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)階段加入“鎖等待超時(shí)監(jiān)控”和“周期性狀態(tài)快照”。給每個(gè)任務(wù)增加一個(gè)“當(dāng)前等待鎖”的狀態(tài)變量在調(diào)試打印里定期輸出。一旦出現(xiàn)異常等待超過(guò)閾值日志里就能直接看到“哪個(gè)任務(wù)在等哪把鎖”排查效率會(huì)提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。第四最后再分享一個(gè)小技巧如果實(shí)在沒(méi)辦法給所有鎖加超時(shí)那么在代碼里加一個(gè)“看門(mén)狗喂狗注釋約定”——凡是持有鎖超過(guò)約定時(shí)間的代碼路徑都要在注釋里寫(xiě)明原因。這樣未來(lái)排查時(shí)可以直接通過(guò)日志和代碼注釋快速縮小范圍。死鎖防治不是一個(gè)高深的理論問(wèn)題而是一個(gè)非常依賴工程紀(jì)律和前置設(shè)計(jì)的實(shí)踐問(wèn)題。把這篇文章里提到的“四個(gè)必要條件”“資源編號(hào)法”“鎖超時(shí)”“調(diào)試定位”結(jié)合起來(lái)你的嵌入式系統(tǒng)就會(huì)穩(wěn)很多?？荚噷用姘雁y行家算法的做題步驟練熟把死鎖與饑餓、優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的區(qū)分邊界理清這塊分?jǐn)?shù)基本就能穩(wěn)拿。