ucos中的三种临界区管理机制

熟悉ucos，或者读过Jean.J.Labrosse写过的ucos书籍的人，一定会知道ucos中著名的临界去管理宏：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：

[cpp] view plaincopyprint?

#if OS_CRITICAL_METHOD == 1
#define OS_ENTER_CRITICAL() __asm__("cli")
#define OS_EXIT_CRITICAL() __asm__("sti")
#endif
#if OS_CRITICAL_METHOD == 2
#define OS_ENTER_CRITICAL() __asm__("pushf \n\t cli")
#define OS_EXIT_CRITICAL() __asm__("popf")
#endif
#if OS_CRITICAL_METHOD == 3
#define OS_ENTER_CRITICAL() (cpu_sr = OSCPUSaveSR())
#define OS_EXIT_CRITICAL() (OSCPURestoreSR(cpu_sr))
#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：

[cpp] view plaincopyprint?

function_a()
{
int a=(1<<31);
OS_ENTER_CRITICAL();
function_b(a);
OS_EXIT_CRITICAL();
}

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。

[cpp] view plaincopyprint?

function_a:
push ebp
mov ebp, esp
sub esp, 8
mov 4(esp), 0x80000000
pushfd
cli
mov edi, 4(esp)
mov (esp), edi
call function_b
popfd
mov esp, ebp
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：

[cpp] view plaincopyprint?

function_a()
{
#if OS_CRITICAL_METHOD == 3
int cpu_sr;
#endif
int a = 1<<31;
OS_ENTER_CRITICAL();
function_b(a);
OS_EXIT_CRITICAL();
}

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。

[cpp] view plaincopyprint?

int int_lock()
{
int cpu_sr;
__asm__ __volatile__("pushfd \n\t pop %0\n\t cli":"=r"(cpu_sr));
return cpu_sr;
}
void int_unlock(int cpu_sr)
{
__asm__ __volatile__("push %0\n\t popfd"::"r"(cpu_sr));
}
function_a()
{
int a, cpu_sr;
a=1<<31;
cpu_sr = int_lock();
function_b(a);
int_unlock(cpu_sr);
}

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。

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