同步中的优先级继承协议 (PIP)

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在一个支持多任务的操作系统下，许多进程可以在单个CPU上同时运行。同步策略用于协调对共享资源的访问。然而，优先级反转是指高优先级进程被持有共享资源的低优先级进程阻塞的情况，这可能是由同步引起的。本文将解释优先级继承协议 (PIP)，这是一种用于解决优先级反转问题的同步方法。

优先级继承协议 (PIP) 是一种用于解决优先级反转问题的同步方法。PIP 将持有共享资源的任务的优先级暂时提升到所有等待该资源的任务中最高的优先级。这种优先级继承使得高优先级进程能够访问共享资源，而不会被低优先级任务阻塞。PIP 的重要性在于它能够在不影响任务层次结构的优先级顺序的情况下防止优先级反转。换句话说，除非任务使用共享资源，否则其优先级不会改变。实时操作系统，如 VxWorks、QNX 和 eCos，通常使用 PIP。

克服优先级反转问题的办法

在 PIP 之前，用于克服优先级反转问题的两种方法是二元信号量和优先级上限。优先级上限在任务使用共享资源时提升任务的优先级到优先级上限，并赋予它一个固定的优先级。另一方面，二元信号量一次只允许一个进程访问共享资源。然而，这些方法确实有一些缺点。

优先级上限可能导致“上限优先级反转”现象，其中持有具有较高优先级上限的共享资源的低优先级任务阻塞了高优先级任务。当两个或多个任务等待另一个进程持有的资源时，二元信号量可能会导致称为“死锁”的条件。因此，PIP 的创建是为了克服这些限制。

解决优先级反转问题的其他技术

除了 PIP 之外，还有一些方法用于解决优先级反转问题。“带有继承的优先级上限”方法是其中一种方法，它将持有资源的任务的优先级提升到所有等待共享资源的任务中具有最高优先级的任务的优先级。这种方法同样也为共享资源设置优先级上限，但优先级上限可以提高到与等待该资源的最高优先级任务的优先级相匹配。

另一种方法是“优先级继承上限”技术，它是 PIP 的一个变体。它将持有资源的任务的优先级提升到优先级上限，并为共享资源设置优先级上限。与 PIP 不同的是，它还会提高任何等待资源的任务的优先级。

PIP 相对于其他方法的优势

与其他解决优先级反转问题的办法相比，PIP 提供了许多优势。一个优势是它能够在不干扰任务层次结构优先级顺序的情况下避免优先级反转。PIP 确保任务的优先级在它使用共享资源之前不会改变。此功能保护高优先级进程免受低优先级进程的阻塞。

PIP 的另一个优势是易于实现且开销很小。PIP 只需在操作系统调度程序中添加少量额外的指令即可有效地实现优先级继承。PIP 也易于在各种硬件平台上部署，因为它不需要任何硬件修改或专门的硬件支持。

PIP 也很高效，不会显著影响性能。PIP 确保高优先级进程可以自由地使用共享资源，而不会被低优先级任务阻塞，并且不会增加很多开销或延迟。它的效率使得系统能够有效地运行并满足其实时需求。

PIP 算法

PIP 算法的工作原理如下：

• 如果高优先级进程试图访问由低优先级进程持有的共享资源，则低优先级进程的优先级将临时提升到高优先级进程的优先级。

• 共享资源由低优先级进程持有，但其优先级与高优先级进程相同。这种优先级继承允许高优先级进程使用共享资源，而不会被低优先级任务阻塞。

• 当低优先级任务释放共享资源时，高优先级进程的优先级将恢复。

PIP 在同步操作系统中的用例

同步操作系统使用 PIP 来防止低优先级操作阻止高优先级任务访问共享资源。在实时系统中，错过截止日期或延迟可能产生严重后果时，此功能非常有用。

在嵌入式系统中，实时约束至关重要，PIP 经常被使用。例如，在医疗设备中，PIP 可以确保关键操作（例如监测患者的生命体征或输送药物）不会被不太重要的操作阻塞或延迟。

PIP 实现的真实案例

PIP 已应用于许多现实世界的场景，例如：

• 航空航天和国防 - PIP 用于航空电子系统，以确保关键进程（如飞行控制）不会被不太重要的进程减慢或阻止。

• 工业自动化 - PIP 用于工业自动化系统，以确保关键操作（例如控制机械臂或监控生产过程）不会被不太重要的操作阻塞或延迟。

• 医疗设备 - PIP 用于医疗设备，以确保关键操作（例如监测患者的生命体征或输送药物）不会被不太重要的操作减慢或阻止。

PIP 与其他同步技术的比较

PIP 在许多方面优于其他解决优先级反转问题的同步方法。与优先级上限不同，PIP 通过确保任务的优先级在其使用共享资源之前保持不变来防止上限优先级反转。与二元信号量不同，PIP 允许多个任务同时访问共享资源，从而提高系统性能。

与其他同步方法相比，PIP 也有一些缺点。与带有继承的优先级上限不同，PIP 不会将优先级上限提高到等待资源的最高优先级任务的优先级。与优先级继承上限不同，PIP 不会提高任何等待资源的任务的优先级。

PIP 的分析

PIP 是一种有效且高效的同步策略，用于解决实时系统中的优先级反转问题。PIP 确保高优先级任务能够使用共享资源，而不会被低优先级进程阻塞，同时保持任务层次结构的优先级。

PIP 易于实现且开销很小，适用于各种硬件平台。PIP 的实际应用包括航空航天和国防、工业自动化和医疗设备。

与其他同步方法相比，PIP 也有一些缺点。与带有继承的优先级上限不同，PIP 不会将优先级上限提高到等待资源的最高优先级任务的优先级。与优先级继承上限不同，PIP 不会提高任何等待资源的任务的优先级。

PIP 通常是一种对优先级反转问题非常有用且有效的解决方法。虽然与其他同步方法相比，它有一些显著的缺点，但由于其简单性、效率和易于实现，它经常被实时系统选择。

结论

在同步操作系统中，优先级反转是一个常见问题，可能导致延迟和错过截止日期。PIP 是一种实时系统用于解决优先级反转问题的同步方法。PIP 确保高优先级任务能够使用共享资源，而不会被低优先级进程阻塞，同时保持任务层次结构的优先级。

PIP 易于实现且开销很小，适用于各种硬件平台。PIP 的实际应用包括航空航天和国防、工业自动化和医疗设备。尽管与其他同步策略相比有一些缺点，但由于其简单性、效率和易于实现，PIP 仍然是实时系统的常用选择。