FreeRTOS: 优先级翻转的典型场景
优先级翻转（Priority Inversion）是指在多任务操作系统中，尤其是实时系统中，一个高优先级任务因为等待一个低优先级任务持有的资源而被阻塞，导致高优先级任务不能及时得到执行的现象。这种现象可能会破坏系统的实时性，甚至引起系统不稳定或失效。
优先级翻转的典型场景
假设有三个任务：TA、TB 和 TC，它们的优先级分别为 TA > TC > TB（即 TA 是最高优先级任务，TB 是最低优先级任务）。当以下情况发生时，就会出现优先级翻转：
- TB 持有共享资源：假设 T3 正在使用某个需要互斥访问的共享资源（例如通过获取互斥信号量），此时它持有该资源。
- TA 需要相同的共享资源：接下来，高优先级任务 TA 开始运行，并尝试获取相同的共享资源。但由于资源已经被 TB 占用，TA 必须等待 TB 释放资源，因此 TA 被阻塞。
- TC 运行：在此期间，中等优先级的任务 TC 就绪并开始运行，因为它比被阻塞的 TA 优先级低但比 TB 高。这会导致 TB 不能立即运行以释放资源给 TA，反而继续让 TC 执行，即使 TA 的优先级更高。
- 结果：最终，高优先级任务 TA 的执行被延迟了，直到 TB 再次获得 CPU 并完成其对资源的操作，从而释放资源。这样的延迟可能违反了 TA 的实时性要求。
解决优先级翻转的方法
为了防止优先级翻转问题的发生，可以采用以下几种方法：
1. 优先级继承协议 (Priority Inheritance Protocol, PIP)
（补充知识点： 互斥信号量是包含优先级继承机制的二进制信号量。 二进制信号量能更好的实现同步（任务间或任务与中断之间），而互斥信号量有助于更好实现简单互斥（即相互排斥））
- 原理：当高优先级任务因等待低优先级任务持有的资源而被阻塞时，临时提升低优先级任务的优先级到与高优先级任务相同的水平，使得低优先级任务能够尽快完成对资源的操作并释放资源，然后恢复其原始优先级。
- 优点：简单有效，能迅速解决问题，且不需要额外的资源开销。
- 缺点：如果多个高优先级任务同时等待同一个低优先级任务持有的资源，可能导致复杂的优先级调整。
（注意：优先级继承协议并不能完全解决优先级翻转，只是在某些情况下将影响降至最低
不能在中断中使用互斥信号量， 原因如下：
1、互斥信号量使用的优先级集成机制要求从任务中（而不是从中断中）获取和释放互斥信号量
2、中断无法保持阻塞来等待一个被互斥信号量保护的资源。
）
适用场景
- 大多数实时嵌入式系统：特别是那些对响应时间和资源使用效率有较高要求的系统，如汽车电子、工业控制等。
2. 优先级天花板协议 (Priority Ceiling Protocol, PCP)
- 原理：每个资源都关联一个固定的“天花板”优先级，等于所有可能请求该资源的任务中的最高优先级。任何试图获取此资源的任务都会暂时将其优先级提升至该天花板值，直到它释放资源为止。
- 优点：避免了多个任务间的复杂优先级调整，确保了最坏情况下也能满足实时性需求。
- 缺点：可能会造成一些不必要的优先级提升，导致较低优先级的任务过早抢占较高优先级的任务。
适用场景
- 严格实时系统：例如航空电子设备、医疗设备等领域，这些领域对系统的可靠性和可预测性有着极高的要求。
3. 避免长时间持有共享资源
- 设计建议：尽量减少任务持有共享资源的时间长度，这样即使发生优先级翻转，影响也会较小。可以通过优化算法、分割大操作为小步骤等方式来实现这一点。
实际应用
在大多数实际应用中，优先级继承协议 (PIP) 是首选方案，因为它提供了较好的平衡——既能有效防止优先级翻转，又不会显著增加系统的复杂性和资源消耗。它被广泛应用在各种实时嵌入式系统中，并且得到了许多操作系统的原生支持。然而，对于那些对实时性有极端苛刻要求的应用（如航空航天和医疗设备），则可能更倾向于采用优先级天花板协议 (PCP) 来确保最严格的实时保障。最后，无论选择哪种方法，都应该尽量遵循避免长时间持有共享资源的最佳实践，以进一步优化系统的稳定性和性能。