0 引言

    Nucleus PLUS是美國源代碼操作系統(tǒng)商品ATI公司推出的新一代搶先式多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，具有高移植性，并能夠支持大多數(shù)類型的處理器^[1]。對稱多處理器是指一個(gè)計(jì)算機(jī)上有多個(gè)處理器,各處理器共享內(nèi)存子系統(tǒng)以及總線結(jié)構(gòu)^[2]。與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)不同的是，嵌入式操作系統(tǒng)對系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的實(shí)時(shí)性要求非常高。在對稱多處理器環(huán)境下，同步、互斥、中斷都非常重要，為解決資源的競爭、共享問題，提出了典型自旋鎖等機(jī)制來保證同步問題。

    在電力設(shè)備產(chǎn)品中使用的操作系統(tǒng)大多是Nucleus嵌入式操作系統(tǒng)，在產(chǎn)品運(yùn)行過程中出現(xiàn)過產(chǎn)品死鎖現(xiàn)象，經(jīng)過問題查找發(fā)現(xiàn)是自旋鎖的使用不當(dāng)造成的死鎖。因此針對自旋鎖的使用展開了重點(diǎn)測試。

    通過詳細(xì)分析自旋鎖代碼及實(shí)現(xiàn)機(jī)制，對自旋鎖如何進(jìn)行測試提供了詳細(xì)的測試思路及測試方法。

1 Nucleus PLUS內(nèi)核簡介

    Nucleus PLUS內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)管理實(shí)時(shí)任務(wù)之間的競爭運(yùn)行、系統(tǒng)內(nèi)存的分配以及如何回收等，同時(shí)對外部事件必須保持快速響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)性，保證系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。Nucleus PLUS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    線程控制部件用來管理實(shí)時(shí)任務(wù)和高級中斷服務(wù)的執(zhí)行，它是Nucleus嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)最核心的部分。在系統(tǒng)任務(wù)控制方面，根據(jù)優(yōu)先級及時(shí)間片共享處理器。通過任務(wù)之間的同步和互斥來選擇不同的通信機(jī)制。內(nèi)存機(jī)制采用了兩種方法：動態(tài)內(nèi)存和分區(qū)內(nèi)存。Nucleus PLUS將這些組件稱為軟件組件，并提供了很多系統(tǒng)調(diào)用方法。

2 Nucleus PLUS自旋鎖機(jī)制

2.1 自旋鎖簡介

    對于單處理器來說，防止中斷處理中的并發(fā)可簡單采用關(guān)閉中斷的方式，即在標(biāo)志寄存器中關(guān)閉/打開中斷標(biāo)志位，不需要自旋鎖。而對于多處理器環(huán)境下，為了解決同一時(shí)刻多任務(wù)同時(shí)訪問內(nèi)核和其他資源，保證內(nèi)核、進(jìn)程及其他資源有秩序、正確地執(zhí)行，引入新的一種鎖的機(jī)制，即“自旋鎖”。自旋鎖是專為防止多處理器并發(fā)而引入的一種鎖，它在內(nèi)核中大量應(yīng)用于中斷處理，以及解決多處理器環(huán)境下不同處理器之間存在的同步與互斥問題。

2.2 自旋鎖與信號量對比

    自旋鎖和信號量都是解決互斥問題的基本手段，屬于不同層次的互斥手段。自旋鎖與信號量相似，都用于互斥訪問臨界資源，但是自旋鎖不會引起調(diào)用者睡眠，不需要進(jìn)入等待隊(duì)列。如果自旋鎖已經(jīng)被別的任務(wù)所持有，調(diào)用者就一直循環(huán)檢測直至自旋鎖的持有者釋放該自旋鎖，節(jié)省了任務(wù)從睡眠狀態(tài)到喚醒之間內(nèi)核會產(chǎn)生的消耗，在加鎖時(shí)間短暫的情況下會大大提高處理器的使用效率。表1列出了兩者之間的不同點(diǎn)。

    自旋鎖在使用中，無論自旋鎖還是信號量，任何時(shí)刻最多只能有一個(gè)持有者。自旋鎖提供的是一種低開銷加鎖選擇，避免了信號量中任務(wù)阻塞或喚醒時(shí)任務(wù)情景切換而產(chǎn)生的開銷，更適用于中斷服務(wù)處理和任務(wù)之間共享同一資源的情況。

3 Nucleus PLUS自旋鎖測試

3.1 測試環(huán)境

    測試環(huán)境由PC、仿真器、目標(biāo)系統(tǒng)組成。測試環(huán)境構(gòu)成如圖2所示。

    編程環(huán)境采用Sourcery CodeBench集成開發(fā)環(huán)境，將編譯好的目標(biāo)文件通過TFTP方式下載到目標(biāo)機(jī)上。PC通過網(wǎng)口或者串口與仿真器連接，實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)板卡之間的通信及監(jiān)測數(shù)據(jù)。仿真器與目標(biāo)機(jī)通過JTAG接口連接，目標(biāo)板卡采用雙核ARM9處理器。

    測試驅(qū)動在整個(gè)測試過程中很關(guān)鍵，經(jīng)過對自旋鎖機(jī)制深刻研究，編寫出用于控制測試用例執(zhí)行的驅(qū)動程序，如圖3所示。

    驅(qū)動程序主要包含：測試用例數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如何調(diào)用自旋鎖相關(guān)代碼的接口，返回自旋鎖相關(guān)函數(shù)的返回值，各種全局變量信息以及輸出信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的打印。測試用例數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞將直接影響測試用例的執(zhí)行效率。輸出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息可以在用例執(zhí)行過程中實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)變化信息，幫助記錄任務(wù)執(zhí)行某個(gè)運(yùn)行節(jié)點(diǎn)下的內(nèi)核對象狀態(tài)，便于監(jiān)測測試結(jié)果的正確性，從而快速地對問題進(jìn)行準(zhǔn)確定位及回歸測試。

3.2 測試思路

    在Nucleus PLUS中，自旋鎖是一個(gè)互斥設(shè)備，只有加鎖和解鎖兩個(gè)狀態(tài)。任務(wù)或中斷處理程序請求自旋鎖時(shí)，如果該鎖為解鎖狀態(tài)，則嘗試將該自旋鎖置為加鎖狀態(tài)，如果加鎖成功，代碼繼續(xù)進(jìn)入臨界區(qū)。如果該鎖為加鎖狀態(tài)，則代碼進(jìn)入忙循環(huán)，此狀態(tài)不是休眠，并重復(fù)檢查這個(gè)鎖，直到該鎖可用為止。即使多個(gè)任務(wù)在某時(shí)間內(nèi)自旋，也只有一個(gè)任務(wù)能夠獲取該鎖^[3]。

    在設(shè)計(jì)測試用例時(shí)，主要就是如何設(shè)計(jì)任務(wù)和中斷之間在不同優(yōu)先級、不同時(shí)間段申請和釋放自旋鎖。下面設(shè)計(jì)了幾種綜合的用例場景，要注意任務(wù)、中斷在不同的執(zhí)行順序下結(jié)果是不同的。

    (1)用例場景1：當(dāng)多任務(wù)同時(shí)申請自旋鎖，無中斷任務(wù)申請自旋鎖情況下，每個(gè)任務(wù)執(zhí)行順序如圖4所示。這種情況下在任務(wù)1申請自旋鎖成功后可重復(fù)申請此自旋鎖，也只有在任務(wù)1重復(fù)釋放此自旋鎖后，其他任務(wù)才可以申請自旋鎖成功。

    (2)用例場景2：當(dāng)任務(wù)采用試探性try方式申請自旋鎖，并且此自旋鎖處于加鎖狀態(tài)，那么任務(wù)不再忙等。執(zhí)行過程如圖5所示。

    當(dāng)任務(wù)采用可被中斷方式申請自旋鎖時(shí)，根據(jù)任務(wù)和中斷是否在同一個(gè)處理器上，所產(chǎn)生的結(jié)果是不同的。

    (3)用例場景3：當(dāng)任務(wù)和中斷在不同CPU上，采用可被中斷方式申請自旋鎖時(shí)，中斷申請自旋鎖成功。如圖6所示。

    (4)用例場景4：當(dāng)任務(wù)和中斷在同一CPU上，采用可被中斷方式申請自旋鎖時(shí)，由于任務(wù)無法釋放自旋鎖，中斷一直忙等，最終產(chǎn)生死鎖現(xiàn)象。如圖7所示。

    當(dāng)任務(wù)采用“關(guān)中斷”方式申請自旋鎖時(shí)，就會在申請自旋鎖前先把中斷關(guān)閉，不會產(chǎn)生死鎖現(xiàn)象。

    對自旋鎖的測試可以按照這種用例設(shè)計(jì)場景的方式，將自旋鎖的所有函數(shù)的正常、異常及邊界功能測試完整。

3.3 測試用例設(shè)計(jì)

    整個(gè)測試過程采用單元測試、集成測試相結(jié)合的方法進(jìn)行，采用最常用的等價(jià)類劃分、邊界值等方法對自旋鎖進(jìn)行白盒測試。隨著自旋鎖的創(chuàng)建、申請、釋放、刪除等操作的發(fā)生，自旋鎖的狀態(tài)也在不斷變化。也可采用有限狀態(tài)機(jī)對自旋鎖建立模型，提取路徑設(shè)計(jì)用例，充分地對自旋鎖的實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行測試。同時(shí)也要對接口的一些異常輸入或者邊界環(huán)境條件下能保持正常工作的情況進(jìn)行測試，從而保證對接口能夠進(jìn)行全面化的測試。

    在設(shè)計(jì)測試用例過程中，首先要設(shè)計(jì)正常功能的測試用例，然后設(shè)計(jì)異常測試用例，觀察函數(shù)內(nèi)部是否進(jìn)行了異常判斷，最后集成幾個(gè)接口配合進(jìn)行整體功能測試，檢查接口之間的相互操作是否正確。下面列出對自旋鎖相關(guān)接口設(shè)計(jì)的測試用例。

    (1)自旋鎖創(chuàng)建及刪除接口。

    正常創(chuàng)建自旋鎖，創(chuàng)建一個(gè)已經(jīng)創(chuàng)建的自旋鎖，異常創(chuàng)建。

    (2)自旋鎖申請及釋放接口。

    分多種用例場景進(jìn)行測試，主要考慮表2所示幾個(gè)方面。

    (3)自旋鎖“關(guān)中斷”方式申請、釋放與自旋鎖的申請、釋放功能類似，測試過程中除了要把功能相似的用例執(zhí)行一遍，還要把功能不同點(diǎn)重點(diǎn)測試。不同之處表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

    ①在獲取鎖之前關(guān)中斷，釋放鎖后將中斷狀態(tài)恢復(fù)至原來狀態(tài)。

    ②不支持同一任務(wù)多次加鎖同一個(gè)鎖。

    ③線程在被自旋鎖保護(hù)的臨界區(qū)不會被打斷，避免了死鎖。

    (4)試探性自旋鎖的申請、釋放與自旋鎖不同的是，申請加鎖時(shí)如果鎖的狀態(tài)時(shí)是“加鎖”，則不再忙等。

    (5)“關(guān)中斷”試探性自旋鎖的申請、釋放與試探性自旋鎖不同的是，申請鎖時(shí)會保存中斷狀態(tài)，如果請求失敗，會恢復(fù)原來的中斷狀態(tài)。

    (6)返回自旋鎖創(chuàng)建個(gè)數(shù)函數(shù)、自旋鎖信息函數(shù)、返回自旋鎖指針函數(shù)：

    ①創(chuàng)建多個(gè)自旋鎖，查看返回自旋鎖個(gè)數(shù)、自旋鎖的信息及自旋鎖指針的正確性。

    ②刪除某個(gè)自旋鎖后，查看返回自旋鎖個(gè)數(shù)、自旋鎖的信息及自旋鎖指針的正確性。

    ③創(chuàng)建0個(gè)自旋鎖、無效自旋鎖等異常測試用例設(shè)計(jì)。

3.4 自旋鎖測試效果

    使用上述測試策略對自旋鎖所有接口函數(shù)進(jìn)行了白盒測試，測試效果很顯著，不僅對自旋鎖的基本功能進(jìn)行了驗(yàn)證，還對異常、死鎖情況進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了功能、代碼語句全覆蓋。

    測試過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題，以及某些接口在使用過程需要注意的事項(xiàng)，避免因使用不當(dāng)產(chǎn)生死鎖等問題，造成應(yīng)用平臺功能不可用。下面列出了幾條自旋鎖使用中的注意事項(xiàng)。

    (1)自旋鎖申請、釋放函數(shù)接口的使用是不安全的，容易導(dǎo)致死鎖^[3]。由于這個(gè)接口在使用時(shí)是不關(guān)閉中斷，使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：使用自旋鎖進(jìn)行同步的多個(gè)任務(wù)不要綁定到一個(gè)處理器上，臨界區(qū)盡可能小，臨界區(qū)不要睡眠，任務(wù)的優(yōu)先級不宜有差別。

    (2)使用關(guān)中斷的自旋鎖在釋放時(shí)，傳入的中斷狀態(tài)應(yīng)設(shè)置為申請自旋鎖之前的中斷狀態(tài)，而不應(yīng)簡單通過傳入0值去開中斷。否則在嵌套使用自旋鎖時(shí)會導(dǎo)致死鎖。申請自旋鎖時(shí)，關(guān)中斷僅僅關(guān)閉了本處理器的中斷，另一個(gè)處理器上的中斷仍然產(chǎn)生。

    (3)試探性方式申請自旋鎖時(shí)，應(yīng)根據(jù)返回值來做相應(yīng)的處理。當(dāng)返回值為此自旋鎖已被占用時(shí)，不能訪問被保護(hù)的臨界資源。

4 結(jié)論

    本文重點(diǎn)研究了在Nucleus PLUS對稱多處理機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)的環(huán)境下，運(yùn)用多種測試方法設(shè)計(jì)全面測試用例，對自旋鎖組件進(jìn)行白盒測試。在測試過程中發(fā)現(xiàn)了在何種情況下自旋鎖會發(fā)生死鎖現(xiàn)象，同時(shí)詳細(xì)介紹了自旋鎖組件在使用過程中的注意事項(xiàng)。整體測試效果良好，對操作系統(tǒng)其他組件的測試有著較高的借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏振華.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Nucleus中線程控制部件的實(shí)現(xiàn)方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2003(4)：97-100.

[2] 彭正文.基于SMP的Linux內(nèi)核自旋鎖分析[J].江西教育學(xué)院學(xué)報(bào)(綜合)，2005，26(3)：23-28.

[3] 張文盛.一種Linux內(nèi)核自旋鎖死鎖監(jiān)測機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].合肥學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，22(2)：31-35.

[4] 徐宇柘.Nucleus實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在繼電保護(hù)系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)性研究[J].電腦知識與技術(shù)，2007(13)：3-5.

[5] 吳雨俊.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Nucleus的中斷處理機(jī)制研究[J].福建電腦，2012(3)：95-96.

[6] 王繼剛.嵌入式操作系統(tǒng)異常處理框架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(5)：60-63，66.

[7] 李建軍.國產(chǎn)化嵌入式操作系統(tǒng)軟件測試方法研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016(24)：22-24.