C 嵌入式系統設計模式 19：保護調用模式

本書的原著為：《Design Patterns for Embedded Systems in C ——An Embedded Software Engineering Toolkit 》，講解的是嵌入式系統設計模式，是一本不可多得的好書。

本系列描述我對書中內容的理解。本文章描述嵌入式并發和資源管理模式之五：保護調用模式

保護調用模式 (Guarded Call Pattern) 是一種 任務協作模式。在軟件設計中，任務協作模式是用于協調不同任務之間通訊和同步的策略。它旨在確保任務能夠高效、有序地執行，并處理任務之間的依賴關系、優先級沖突和資源共享等問題。

保護調用模式用于 序列化 對某些服務的訪問。當多個調用者同時調用這些服務時，可能會以某種方式產生干擾。所以不能直接調用這些服務，而是通過提供鎖定機制來序列化訪問，防止其他線程在鎖定期間調用這些服務。具有這套保護機制的調用服務，稱為 保護調用模式。簡而言之，此模式通過 鎖 來確保同時只有一個線程能夠使用特定資源或服務，從而避免潛在的并發問題。

摘要

在搶占式多任務環境中，保護調用模式 使用 信號量 來保護一組相關的函數。這些函數組合起來提供某種 服務 。這樣就能防止多個客戶端同時訪問這些服務，這個過程被稱為 互斥 。

然而，如果不與其它模式混合使用，這種模式可能會導致不受控制的優先級翻轉。

問題

該模式解決的是線程之間的同步或數據交換問題。在這種情況下，可能無法等待 異步會合，可以更及時地進行 同步會合 ，但必須小心進行，以避免數據損壞和計算錯誤。

異步 和 同步 ：異步是一種處理并發操作的方法，允許程序在等待某些操作完成（如 I/O 操作）的同時，繼續執行其他任務。這種方法與同步操作相對，同步操作會阻塞程序執行，直到等待的操作完成為止。比如，用 隊列 來實現異步，用函數調用來實現同步。

會合 ：即同步點，任務的動作序列中的一個特定動作，任務會在此等待，直到其他任務也達到相應的同步點。

在異步環境中，線程之間的會合可能是不確定的，因此等待異步會合可能不是一種可靠或高效的方法。因此書中說 保護調用模式 可能不適用于異步會合。

模式結構

模式結構如下圖所示：

在這里插入圖片描述
在這種情況下，多個 搶占式任務（PreemptiveTasks）通過資源模塊提供函數訪問 受保護資源（GuardedResource）。在這些函數內部，會調用 鎖定 和 釋放 資源的操作。調度器支持阻塞，當任務調用已被鎖定的信號量時，將其放置在阻塞隊列中，并在該信號量釋放時解除其阻塞。調度器必須將信號量的 lock() 函數實現為 臨界區，以消除競態條件的可能性。

模式詳情

受保護的資源

受保護的資源 是一個共享資源，它使用互斥信號量來保護自己提供的函數，強制調用者互斥訪問。在它提供的函數內部，當訪問之前，會調用關聯的 信號量 實例的 lock() 函數。如果信號量處于未鎖定狀態，則該資源被鎖定；如果資源已處于鎖定狀態，則信號量會通知 靜態優先級調度器 阻塞當前正在運行的任務。重要的是，特定資源實例的相關函數必須共享同一個信號量類的實例。這確保了它們作為一個單元受到保護，防止多個 搶占式任務 同時訪問。

特定資源實例的相關函數必須共享同一個信號量類的實例：這是確保資源正確保護的關鍵。如果每個函數都有自己的信號量實例，那么它們就無法有效地協調對共享資源的訪問。相反，通過共享同一個信號量實例，它們可以確保在任何時候只有一個任務能夠訪問該資源。

搶占式任務

搶占式任務 表示一個通過搶占式多任務調度器運行的任務。它通過調用 受保護的資源 的函數來訪問該資源，而這些函數又受到信號量的保護。這樣確保了搶占式任務在訪問受保護的資源時不會受到其他任務的干擾，從而保證了數據的一致性和系統的穩定性。

信號量

這里 信號量 使用的是互斥信號量，用于 序列化 對 受保護的資源 的訪問。受保護的資源的受保護函數在被調用時會調用信號量的 lock() 函數，并在服務完成后調用 release() 函數。當關聯的信號量被鎖定時，嘗試調用服務的其他客戶端線程將被阻塞，直到信號量解鎖。這個元素通常由 RTOS（實時操作系統）提供。

效果

保護調用模式提供了對資源的及時訪問，并通過鎖定機制防止了多個同時訪問，這些同時訪問可能會導致數據損壞或系統錯誤行為。當資源未被鎖定時，訪問可以立即進行，沒有任何延遲，從而保證了系統的實時性。如果資源被鎖定，調用者必須等待鎖釋放，這可能導致調用者被阻塞一段時間。然而，如果不當地使用這種模式，可能會導致不受控制的優先級反轉。