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Nov 4, 2011

Priority inversion

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Also we can find definition from wiki http://en.wikipedia.org/wiki/Priority_inversion



优先级翻转与优先级继承

2006-3-7

本文描述操作系统中的优先级翻转(Priority Inversion,也有翻译为反转,逆转或倒置的)现象以及如何用优先级继承来解决此类问题的方法,并阐述了 Microsoft Platform Builder for Windows CE 环境下,如何查看此种现象。

  


优先级翻转(Priority Inversion

优先级翻转(Priority Inversion,是指某同步资源被较低优先级的进程/线程所拥有,较高优先级的进程/线程竞争该同步资源未获得该资源,而使得较高优先级进程/线程反而推迟被调度执行的现象。
优先级翻转现象在普通的分时调度系统中对系统的影响不大,或者本来就对优先级高低的进程/线程被调度的顺序就不太在意的情况下,不用太多关注。但是对于基于优先级调度的实时系统,优先级高的进程/线程被优先调度是调度算法首要考虑的因素,调度程序对于较高优先级被调度单元总是最钟情的,所有其它相应资源分配的考量也是基于优先级做出的。SUN SolarisMicrosoft Windows CE等系统都对优先级翻转现象在操作系统级做了处理。
假定一个进程中有三个线程Thread1Thread2Thread3,它们的优先级顺序是Priority(Thread1) > Priority(Thread2) > Priority(Thread3)。考虑图一的执行情况。
图一、优先级翻转现象(无优先级继承)
       ◇ T0时刻,只有Thread3处于可运行状态,运行过程中,Thread3拥有了一个同步资源SYNCH1
       ◇ T1时刻Thread2就绪进入可运行状态,由于优先级高于正在运行的Thread3Thread3被抢占(未释放同步资源SYNCH1),Thread2被调度执行;
       ◇ 同样地T2时刻Thread1抢占Thread2
       ◇ Thread1运行到T3时刻,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,而此时处于可运行状态的线程Thread2Thread3中,Thread2的优先级大于Thread3的优先级,Thread2被调度执行。
上述现象中,优先级最高的Thread1既要等优先级低的Thread2运行完,还要等优先级更低的Thread3运行完之后才能被调度,如果Thread2Thread3执行的很费时的操作,显然Thread1的被调度时机就不能保证,整个实时调度的性能就很差了。

优先级继承(Priority Inheritance

2.1 优先级继承

为了解决上述由于优先级翻转引起的问题,SolarisWinCE引入了优先级继承的解决方法。优先级继承也就是,高优先级进程TH在等待低优先级的线程TL继承占用的竞争资源时,为了使TH能够尽快获得调度运行,由操作系统把TL的优先级提高到TH的优先级,从而让TLTH的优先级参与调度,尽快让TL执行并释放调TH欲获得的竞争资源,然后TL的优先级调整到继承前的水平,此时TH可获得竞争资源而继续执行。
有了优先级继承之后的上述现象的执行情况如图二所示。
图二、优先级继承执行情况
与图一比较,图二中,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Thread2Thread3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,操作系统何时恢复了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Thread1Thread2中,Thread1的优先级大于Thread2的优先级,所以Thread1被调度执行。
上述机制,使优先级最高的Thread1获得执行的时机提前。

2.2 WinCE中优先级继承

下面用在Microsoft Platform Builder for Windows CE 5.0环境的Emulator中,来做一个优先级继承的实验。
2.2.1 程序设计
主线程做了如下工作:
       
◇ 创建三个子线程,设置它们的优先级顺序:
              Priority(Thread1) > Priority(Thread2) > Priority(Thread3)

       
◇ 只是启动Thread3
       
◇ 创建一个互斥体g_Mutex1,初始状态是未被获得的。
三个子线程的执行体分别如下:
Thread3
       
◇ 获得g_Mutex1
       
◇ 循环执行一定次数的
              
打印“Thread3: Executing BEFORE releasing the MUTEX... 
       
◇ 释放g_Mutex1
       
◇ 循环执行:
              
打印“Thread3: Executing AFTER releasing the MUTEX...
Thread2
       
◇ 打印:“Thread2: Start executing... 
       
◇ 循环执行:
              
打印“Thread2: executing...
Thread1
       
◇ 打印:“Thread1: Start executing... 
       
◇ 打印:“Thread1: Waiting on Mutex1... 
       
◇ 执行:WaitForSingleObject(g_Mutex1, INFINITE); 
       
◇ 打印:“Thread1: GOT g_Mutex1, and will resume. 
       
◇ 循环执行:
              
打印“Thread1: Executing AFTER getting the MUTEX...
2.2.2 Log结果分析
结果输出如下:
       TID:a3ecaa1e Thread1: Handler = a3c867b2, ThreadId = a3c867b2
       
TID:a3ecaa1e Thread2: Handler = 83c8c002, ThreadId = 83c8c002
       
TID:a3ecaa1e Thread3: Handler = 3c866c2, ThreadId = 3c866c2
       
TID:3c866cThread3 GOT the Mutex g_Mutex1
       
TID:83c8c002 Thread2: Start executing... 
       
TID:83c8c002 Thread2: executing... 
       
TID:a3c867b2 Thread1: Start executing... 
       
TID:a3c867b2 Thread1: Waiting on Mutex1... 
       
TID:3c866cThread3: Executing BEFORE releasing the MUTEX... 
       
TID:3c866cThread3: Executing BEFORE releasing the MUTEX... 
       
...... 
       
TID:3c866cThread3: Executing BEFORE releasing the MUTEX... 
       
TID:3c866cThread3: Executing BEFORE releasing the MUTEX... 
       
TID:3c866cThread3: Released the mutex1. 
       
TID:a3c867b2 Thread1: GOT g_Mutex1, and will resume. 
       
TID:a3c867b2 Thread1: Executing AFTER getting the MUTEX... 
       
TID:a3c867b2 Thread1: Executing AFTER getting the MUTEX... 
       
TID:a3c867b2 Thread1: Executing AFTER getting the MUTEX... 
       
......
结果中的斜体加粗部分标识了图二的T3T4时刻的操作。Thread3由于拥有Thread1欲申请的同步资源g_Mutex1而继承了Thread1的优先级,获得了执行。
结果中的粗体加下划线部分标识了图二的T4时刻的操作。Thread3释放同步资源g_Mutex1Thread3的优先级被恢复到T3之前;Thread1获得了g_Mutex1之后继续执行。
2.2.3 Platform Builder的工具查看
优先级继承时的线程的优先级是无法在程序中通过诸如GetThreadPriority() / CEGetThreadPriority() 之类的函数来查看CurrPrio的,这些函数查看的是显式设置的BasePrio。(WinCE的早期版本里,这些函数返回的是CurrPrio
我们可以通过Platform Builder的调试工具来查看,不过因为PB提供的EmulatorBP Host之间同步需要时间,所以我们在上面的程序中需要延长Thread3T3T4时间段的时间以获得足够的时间查看此时Thread3继承的优先级。仅仅为了查看,这里可以设置一个极限情况,即Thread3在释放g_Mutex1之前无限循环。
下图是做完上述设置之后,通过 Platform Builder 的菜单“View | Debug Windows | Threads”,调出的Process/Thread View
图三、通过Thread View查看优先级继承
图中,第一行对应Thread3;第二行对应PriorityInversion进程的主线程;第三行对应Thread1;第四行对应Thread2。从Thread3CurrPrio列可以看出,它的当前的优先级确实提升到了Thread1的优先级。

2.3 优先级继承的传递性

优先级继承的传递性,是指图二的优先级继承发生时,在Thread3的优先级已经提升到Thread1执行的T3T4时间段里,如果Thread3竞争比Thread3的初始优先级还要低的线程Thread4拥有的同步资源,操作系统同样会把Thread4的优先级提升到Thread1的优先级。SUNSolaris系统实现了优先级继承和继承的传递,MicrosoftWindows CE虽然实现了优先级继承,但是它只实现了一级,即,没有实现优先级继承的传递性。
下图是WinCE中按照上面描述增加了Thread4之后,参看Thread View得到的一个快照。
图四、通过Thread View查看优先级继承的传递性
图中,第一行对应Thread1;第二行对应Thread2;第三行对应PriorityInversion进程的主线程;第四行对应Thread4;第五行对应Thread3。从Thread3Thread4所在行的CurrPrio列可以看出,Thread3由于等待Thread4拥有的竞争资源而被Blocked,优先级也没有得到提升;Thread4由于拥有Thread3所要竞争的同步资源,其优先级被提升到Thread3的优先级。这种现象不具有优先级继承的传递性。

总结

优先级翻转是多线程环境中应该尽力避免的现象,尤其是依赖线程优先级来调度的系统中。在设计多线程程序时候,避免优先级翻转的最简单方法,就是不要让不同优先级的线程去竞争同一个同步资源。
优先级继承可以减缓优先级翻转带来的问题,但是也不能保证优先级最高的线程绝对地被最先调度执行,还是有一定的延缓时间。如果有优先级继承的传递性,传递的级别很深时,对系统性能的影响还是很大的。

参考资料及进一步阅读

        Microsoft, MSDN, 2005.         Uresh Vahalia, UNIX Internals: The New Frontiers, PEARSON EDU / 人民邮电出版社影印, 2003/2003.7

关于作者

       田海立,硕士,国家系统分析师,中国系统分析员协会顾问团专业顾问。
       您可以通过 HaiLi.Tian(at)csai.cn  TianHaiLi(at)nju.org.cn 与他联系,到 http://blog.csdn.net/thl789/ 看他最新的文章。

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