优先上限协议

优先上限协议（Priority Ceiling Protocol）是一种实时系统中解决资源竞争问题的协议。

资源竞争问题

在多任务的实时系统中，不同任务之间经常需要使用共享资源（如共享内存、共享设备等）。但由于多任务同时进行，可能会出现多个任务同时请求一个共享资源，导致竞争，从而导致系统出现死锁等问题。

优先上限协议的原理

优先上限协议通过动态提高任务的优先级来避免资源竞争问题。

假设系统有两个任务T1和T2：

• T1 请求了共享资源R1
• T2 请求了共享资源R2
• R1 和 R2 都是系统中的关键资源，需要设定优先级

当T1和T2同时运行时，T1和T2的优先级都很低，此时如果T2请求成功了R2，但需要等待T1释放R1，就会出现死锁问题。

优先上限协议的解决方案是，在系统中为每个共享资源设定一个优先级上限，当某个任务请求该资源时，它的优先级将被提高到该资源的优先级上限。如果此时有更高优先级的任务等待该资源，任务之间的优先级就会发生抢占。

以T1和T2为例，如果R1的优先级上限高于T2的优先级，那么当T2的优先级由于请求R2得到提高时，它的优先级比T1高，T1就会被抢占，让出资源R1，从而避免了死锁问题。

优先上限协议的优点

优先上限协议解决了资源竞争问题，并具有以下优点：

• 简单易实现
• 可以有效避免死锁等问题的发生

优先上限协议的缺点

• 调度器需要实时判断任务的优先级，会有一定的开销
• 容易导致优先级反转问题（当低优先级任务占用高优先级任务需要的资源时，高优先级任务可能会被阻塞）

代码实现

可以使用C语言实现基于优先上限协议的任务调度器。以下是一个简单的实现示例：

#define MAX_TASKS      (10)          // 系统最大任务数
#define MAX_RESOURCES  (3)           // 系统最大资源数
#define MAX_PRIORITY   (99)          // 系统最高优先级

typedef struct {
    int id;                        // 任务ID
    int priority;                  // 任务优先级
    int wanted_resource_id;        // 任务所需资源ID
} Task;

typedef struct {
    int id;                        // 资源ID
    int priority;                  // 资源优先级
} Resource;

Task tasks[MAX_TASKS];
Resource resources[MAX_RESOURCES];

// 增加任务
void add_task(int id, int priority, int wanted_resource_id);

// 增加资源
void add_resource(int id, int priority);

// 删除任务
void remove_task(int id);

// 删除资源
void remove_resource(int id);

// 任务调度器
void scheduler(void);

// 优先上限协议的资源分配算法
int allocate_resource(int task_id);

参考文献

• Wikipedia: Priority ceiling protocol