【OS】AUTOSAROSSpinlock实现原理（上篇）

1.Spinlock概念

自旋锁用于支持AUTOSAR系统中不同内核上任务的互斥。它们只能跨内核使用，因为它们在同一个内核上没有意义。

Spinlocks实现了一种繁忙（busy waiting）等待机制，该机制轮询锁变量，直到它可用为止（GetSpinlock()）。一旦一个锁被一个核心上的任务或ISR占用，其他核心的任务和ISR就无法占用该锁，直到它被释放为止（ReleaseSpinlock()）。

通过改用TryToGetSpinlock()，可以避免GetSpinblock()的“愚蠢, dumb”忙碌等待。如果可用，此API将获取锁，但如果不可用，则不会忙于等待。它返回一个成功标志，指示是否已获得锁。如果没有，用户可以自由地做一些工作，稍后再试。

忙于等待锁的任务可能会被更高优先级的任务和ISR抢占。用户应该注意确保抢占代码不会试图获得已被较低优先级代码占用的锁。如果锁定持续时间较短，用户可以考虑锁定资源或禁用锁定部分周围的中断。

示例1：一旦一个锁变量被TASK/ISR2占用，其他Core上的其他TASK/ISR2s将无法占用该锁变量。自旋锁机制在轮询锁变量时不会取消这些其他TASK的调度。然而，在轮询锁变量时，可能会出现具有更高优先级的任务/ISR准备就绪的情况。在这种情况下，旋转任务将受到干扰。

用户可以通过使用SuspendAllInterrupts来保护任务免受这种情况的影响，这样它就不会受到其他任务的干扰。操作系统可以为调用者自动执行此操作，请参阅配置参数OsSpinlockLockMethod.

由于自旋锁的嵌套不正确，很容易进入死锁状态。AUTOSAR试图通过要求在配置中指定唯一的顺序来防止这种情况。自旋锁只能按照指定的顺序锁定/解锁（尽管允许跳过单个自旋锁）。

示例2：第二种死锁情况可以通过嵌套的自旋锁调用来产生。

为了避免死锁，不允许嵌套不同的自旋锁。如果自旋锁应嵌套，则必须定义一个唯一的顺序。只能按此顺序获取自旋锁，但允许跳过单个自旋锁。在定义的顺序内不允许循环。

自旋锁机制本身并不是无死锁的。配置述中必须提到请求Tasks/ISR的自旋锁的顺序。如果任务占用自旋锁，则应限制调度。

自旋锁的配置方式类似于Resources。它们在运行时相对不耗内存，因此使用几个短自旋锁可能比使用几个多用途自旋锁更有效。

2.Spinlock配置

Spinlock配置参数如下图所示。

2.1 Short Name

Short Name: 定义Spinlock的名字，生成的代码会引用这个名字。

2.2 Spinlock Lock Method

Spinlock Lock Method: 获取到Spinlock后同步进行的操作，有以下4个选项

LOCK_ALL_INTERRUPTS , 获取Spinlock时挂起所有中断。

LOCK_CAT2_INTERRUPTS , 获取Spinlock时挂起二类中断。

LOCK_WITH_RES_SCHEDULER , 获取Spinlock时提高当前的Task优先级到最高优先级。

LOCK_NOTHING , 获取Spinlock时没有Lock操作。

默认是LOCK_NOTHING值。

注意：Spinlock Lock Method配置为哪个参数，取决于实际的工程需求。

1.如果在中断中抢占当前Task后可能去获取Spinlock，从而可能产生死锁（dead lock），就将Spinlock Lock Method配置为LOCK_ALL_INTERRUPTS，从而在Task获取Spinlcok的时候挂起所有中断，避免该问题的产生。

2.如果在二类中断中抢占当前Task后可能去获取Spinlock，从而可能产生死锁（dead lock），就将Spinlock Lock Method配置为LOCK_CAT2_INTERRUPTS，从而在Task获取Spinlcok的时候挂起二类中断，避免该问题的产生。

3.如果高优先级Task抢占当前Task后可能去获取Spinlock，从而可能产生死锁（dead lock），就将Spinlock Lock Method配置为LOCK_WITH_RES_SCHEDULER，从而在Task获取Spinlcok的时候将本身优先级提高到最高优先级，避免该问题的产生。

4.如果以上场景都不可能出现，就配置为LOCK_NOTHING.

2.3 Spinlock Type

Spinlock Type: 配置Spinlock的类型，提供以下的两个配置参数。

STANDARD: 标准Autosar实现方式。

OPTIMIZED: MICROSAR OS优化后的实现方式。

对于多核系统中的数据一致性保护，MICROSAR Classic OS提供了（在AUTOSAR指定的操作系统自旋锁之下）额外的优化自旋锁。它们能够减少Spinlock API的运行时间。

AUTOSAR指定的操作系统自旋锁不会导致内核之间的任何死锁（请参阅AUTOSAR操作系统标准中嵌套操作系统自旋锁定的唯一顺序）。因此，有必要对操作系统配置数据进行一些错误检查。优化后的自旋锁不会执行这些错误检查。

Standard Spinlock和Optimized Spinlock的区别如下表所示：

2.4 Spinlock Successor

Spinlock Successor: 引用下一个被嵌套使用的Spinlock. 需要嵌套使用Spinlock时才需要配置此参数。

示例：有如下的Spinlock使用场景时，就需要配置Spinlock Successor参数了。

GetSpinlock(OsSpinlock_Test)
  /* Spinlock_Test protection context operations */
  GetSpinlock(OsSpinlock_3)
  /* Spinlock_3 protection context operations */
  ReleaseSpinlock(OsSpinlock_Test)
ReleaseSpinlock(OsSpinlock_Test)

3. Spinlock实现原理

用户调用Os的标准接口后，都会产生Os Trap最后调用到Os的内部实现函数Os_Api_xxx(). 具体可以参考《【OS】AUTOSAR OS系统调用产生Trap的过程详解》。

也就是说：

GetSpinlock-> Os_Api_ GetSpinlock -> Os_TrapSpinlockGet -> Os_SpinlockGet

ReleaseSpinlock-> Os_Api_WaitEvent -> Os_TrapSpinlockRelease -> Os_SpinlockRelease

TryToGetSpinlock-> Os_Api_TryToGetSpinlock -> Os_TrapSpinlockTryGet -> Os_TrapSpinlockTryGet

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