操作系统多线程之优先级翻转

2024-04-15 12:11:40

优先级反转，是操作系统调度进程时出现的一种错误。是指在使用资源的时候时，可能会出现的这样一种不合理的现象，即：

高优先级任务被低优先级任务阻塞，导致高优先级任务迟迟得不到调度。但其他中等优先级的任务却能抢到CPU资源。-- 从现象上来看，好像是中优先级的任务比高优先级任务具有更高的优先权。

具体来说：当高优先级任务正等待信号量（此信号量被一个低优先级任务拥有着）的时候，一个介于两个任务优先之间的中等优先级任务开始执行——这就会导致一个高优先级任务在等待一个低优先级任务，而低优先级任务却无法执行类似死锁的情形发生。

一个具体的例子：
假定一个进程中有三个线程Thread1(高）、Thread2（中）和Thread3（低），考虑下图的执行情况。

优先级反转实例图示

T0时刻，Thread3运行，并获得同步资源SYNCH1；
T1时刻，Thread2开始运行，由于优先级高于Thread3，Thread3被抢占（未释放同步资源SYNCH1），Thread2被调度执行；
T2时刻，Thread1抢占Thread2；
T3时刻，Thread1需要同步资源SYNCH1，但SYNCH1被更低优先级的Thread3所拥有，Thread1被挂起等待该资源
而此时线程Thread2和Thread3都处于可运行状态，Thread2的优先级大于Thread3的优先级，Thread2被调度执行。最终的结果是高优先级的Thread1迟迟无法得到调度，而中优先级的Thread2却能抢到CPU资源。

上述现象中，优先级最高的Thread1要得到调度，不仅需要等Thread3释放同步资源（这个很正常），而且还需要等待另外一个毫不相关的中优先级线程Thread2执行完成（这个就不合理了），会导致调度的实时性就很差了。

什么是优先级继承

优先级继承就是为了解决优先级反转问题而提出的一种优化机制。其大致原理是让低优先级线程在获得资源的时候(如果有高优先级的线程也需要使用该同步资源时)，临时提升其优先级。以前其能更快的执行并释放同步资源。释放同步资源后再恢复其原来的优先级。

带有优先级继承调度过程

与上图相比，到了T3时刻，Thread1需要Thread3占用的同步资源SYNCH1，操作系统检测到这种情况后，就把 Thread3的优先级提高到Thread1的优先级。此时处于可运行状态的线程Thread2和Thread3中，Thread3的优先级大于Thread2的优先级，Thread3被调度执行。

Thread3执行到T4时刻，释放了同步资源SYNCH1，操作系统恢复了Thread3的优先级，Thread1获得了同步资源SYNCH1，重新进入可执行队列。处于可运行状态的线程Thread1和Thread2中，Thread1的优先级大于Thread2的优先级，所以Thread1被调度执行。

通过优先级继承机制，可以有效解决优先级反转问题，使优先级最高的Thread1获得执行的时机提前。

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