C 嵌入式系统设计模式 19：保护调用模式

本书的原著为：《Design Patterns for Embedded Systems in C ——An Embedded Software Engineering Toolkit 》，讲解的是嵌入式系统设计模式，是一本不可多得的好书。

本系列描述我对书中内容的理解。本文章描述嵌入式并发和资源管理模式之五：保护调用模式

保护调用模式 (Guarded Call Pattern) 是一种 任务协作模式。在软件设计中，任务协作模式是用于协调不同任务之间通讯和同步的策略。它旨在确保任务能够高效、有序地执行，并处理任务之间的依赖关系、优先级冲突和资源共享等问题。

保护调用模式用于 序列化 对某些服务的访问。当多个调用者同时调用这些服务时，可能会以某种方式产生干扰。所以不能直接调用这些服务，而是通过提供锁定机制来序列化访问，防止其他线程在锁定期间调用这些服务。具有这套保护机制的调用服务，称为 保护调用模式。简而言之，此模式通过 锁 来确保同时只有一个线程能够使用特定资源或服务，从而避免潜在的并发问题。

摘要

在抢占式多任务环境中，保护调用模式 使用 信号量 来保护一组相关的函数。这些函数组合起来提供某种 服务 。这样就能防止多个客户端同时访问这些服务，这个过程被称为 互斥 。

然而，如果不与其它模式混合使用，这种模式可能会导致不受控制的优先级翻转。

问题

该模式解决的是线程之间的同步或数据交换问题。在这种情况下，可能无法等待 异步会合，可以更及时地进行 同步会合 ，但必须小心进行，以避免数据损坏和计算错误。

异步 和 同步 ：异步是一种处理并发操作的方法，允许程序在等待某些操作完成（如 I/O 操作）的同时，继续执行其他任务。这种方法与同步操作相对，同步操作会阻塞程序执行，直到等待的操作完成为止。比如，用 队列 来实现异步，用函数调用来实现同步。

会合 ：即同步点，任务的动作序列中的一个特定动作，任务会在此等待，直到其他任务也达到相应的同步点。

在异步环境中，线程之间的会合可能是不确定的，因此等待异步会合可能不是一种可靠或高效的方法。因此书中说 保护调用模式 可能不适用于异步会合。

模式结构

模式结构如下图所示：

在这里插入图片描述
在这种情况下，多个 抢占式任务（PreemptiveTasks）通过资源模块提供函数访问 受保护资源（GuardedResource）。在这些函数内部，会调用 锁定 和 释放 资源的操作。调度器支持阻塞，当任务调用已被锁定的信号量时，将其放置在阻塞队列中，并在该信号量释放时解除其阻塞。调度器必须将信号量的 lock() 函数实现为 临界区，以消除竞态条件的可能性。

模式详情

受保护的资源

受保护的资源 是一个共享资源，它使用互斥信号量来保护自己提供的函数，强制调用者互斥访问。在它提供的函数内部，当访问之前，会调用关联的 信号量 实例的 lock() 函数。如果信号量处于未锁定状态，则该资源被锁定；如果资源已处于锁定状态，则信号量会通知 静态优先级调度器 阻塞当前正在运行的任务。重要的是，特定资源实例的相关函数必须共享同一个信号量类的实例。这确保了它们作为一个单元受到保护，防止多个 抢占式任务 同时访问。

特定资源实例的相关函数必须共享同一个信号量类的实例：这是确保资源正确保护的关键。如果每个函数都有自己的信号量实例，那么它们就无法有效地协调对共享资源的访问。相反，通过共享同一个信号量实例，它们可以确保在任何时候只有一个任务能够访问该资源。

抢占式任务

抢占式任务 表示一个通过抢占式多任务调度器运行的任务。它通过调用 受保护的资源 的函数来访问该资源，而这些函数又受到信号量的保护。这样确保了抢占式任务在访问受保护的资源时不会受到其他任务的干扰，从而保证了数据的一致性和系统的稳定性。

信号量

这里 信号量 使用的是互斥信号量，用于 序列化 对 受保护的资源 的访问。受保护的资源的受保护函数在被调用时会调用信号量的 lock() 函数，并在服务完成后调用 release() 函数。当关联的信号量被锁定时，尝试调用服务的其他客户端线程将被阻塞，直到信号量解锁。这个元素通常由 RTOS（实时操作系统）提供。

效果

保护调用模式提供了对资源的及时访问，并通过锁定机制防止了多个同时访问，这些同时访问可能会导致数据损坏或系统错误行为。当资源未被锁定时，访问可以立即进行，没有任何延迟，从而保证了系统的实时性。如果资源被锁定，调用者必须等待锁释放，这可能导致调用者被阻塞一段时间。然而，如果不当地使用这种模式，可能会导致不受控制的优先级反转。