优先级翻转与优先级继承
优先级翻转与优先级继承
田海立
2006-3-7
摘要
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。
目 录
摘要
1 优先级翻转（Priority Inversion）
2 优先级继承（Priority Inheritance）
2.1 优先级继承
2.2 WinCE中优先级继承
2.3 优先级继承的传递性
3 总结
参考资料及进一步阅读
关于作者
1 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 Solaris和Microsoft 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Thread1、Thread2和Thread3，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Thread3，Thread3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Thread2和Thread3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Thread2和Thread3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。
2 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，Solaris和WinCE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TL以TH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Thread1和Thread2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:3c866c2 Thread3 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:3c866c2 Thread3: Executing BEFORE releasing the MUTEX...
TID:3c866c2 Thread3: Executing BEFORE releasing the MUTEX...
......
TID:3c866c2 Thread3: Executing BEFORE releasing the MUTEX...
TID:3c866c2 Thread3: Executing BEFORE releasing the MUTEX...
TID:3c866c2 Thread3: 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T3－T4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_Mutex1，Thread3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 用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Emulator与BP Host之间同步需要时间，所以我们在上面的程序中需要延长Thread3在T3－T4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Thread3的CurrPrio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T3－T4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。SUN的Solaris系统实现了优先级继承和继承的传递，Microsoft的Windows 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Thread3和Thread4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。
3 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。
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