VxWorks任務編程中常見異常分析

1  代碼重入與共享

 在應用中，可能會出現(xiàn)多個任務調(diào)用同一段代碼的情況，由于任務占用CPU是串行的，不會出現(xiàn)代碼資源使用沖突。但是，不同優(yōu)先級的任務同時調(diào)用同一段代碼，則可能出現(xiàn)低優(yōu)先級任務執(zhí)行某一函數(shù)時被執(zhí)行該函數(shù)的高優(yōu)先級任務打斷的情況，如果函數(shù)中要改寫全局變量而沒有使用互斥，就有可能導致錯誤的存取。例如在中斷中調(diào)用內(nèi)存分配或者釋放函數(shù)，如果某個任務正在調(diào)用內(nèi)存分配函數(shù)或者是內(nèi)存釋放函數(shù)，打斷該任務時會造成異常，可能導致內(nèi)存泄漏，甚至有可能會因在中斷中異常而reboot。另外，如果多個任務共用的代碼中有全局變量且使用目的不同，或者多個任務的代碼中有全局變量同名的情況，則有可能造成變量使用中的錯誤。VxWorks提供了任務變量（taskVar）的方法來解決這個問題，任務可以將使用的全局變量作為任務變量獨立使用，添加的任務變量保存在任務的上下文中，任務切換時保存當前內(nèi)容。

2  符號表的使用

VxWorks中有模塊（module）的概念。裝載模塊完成目標代碼文件在內(nèi)存中的鏈接，并可以將目標代碼文件中的函數(shù)與全局變量加入符號表。符號表中的符號對C語言編寫的函數(shù)以原來名字命名，對于C++語言的函數(shù)則是在后面加上形參的數(shù)據(jù)類型作為符號名。如f1( )的符號名為f1__Fv，最后的v表示void類型；f2(int)符號名為f2__Fi，f3(int,int)為f3__Fii，依此類推。代碼的編譯過程中并不對要使用的函數(shù)和變量進行檢查。例如調(diào)用一個并不存在的函數(shù)編譯并不報錯，編譯器認為此函數(shù)可能在操作系統(tǒng)內(nèi)核中或者已經(jīng)下載的目標文件中，但在目標文件下載時會找不到要調(diào)用的函數(shù)。如果符號表中的符號出現(xiàn)了重名，譬如兩次下載的目標文件中有函數(shù)重名，則要作散列處理，之后對該函數(shù)的調(diào)用是最后加入符號表的函數(shù)，而之前已經(jīng)裝載的模塊則不會受到影響。如果應用程序中使用了與操作系統(tǒng)內(nèi)核同名的符號，則對操作系統(tǒng)某些API函數(shù)的調(diào)用將會失敗。

3  特殊的任務保護

在VxWorks中，當一個任務被刪除，其它任務不會得到通知，而且由于任務間的獨立性，每一個任務可以無限制地刪除其它任務。在應用中，我們可能會把需要保護任務誤刪除。VxWorks 提供的兩個函數(shù)taskSafe( )和taskUnsafe( )將通知意外刪除任務而引起的問題。當任務調(diào)用taskSafe( )時，從調(diào)用的那一刻起，該任務就被保護起來而不會被其它任務刪除。如果任務1試圖刪除已經(jīng)調(diào)用taskSafe( )的任務2，則任務1將被阻塞，直到任務2調(diào)用taskUnsafe( )。保護只能由任務自己實現(xiàn)，一個任務不能safe或unsafe另外一個任務。taskSafe( )和taskUnsafe( )支持嵌套模式。如果有嵌套發(fā)生，一個計數(shù)器將開始工作，每有一個taskSafe( )被調(diào)用，則計數(shù)器加1；調(diào)用1個taskUnsafe( )，則計數(shù)器減1。只有當計數(shù)器為0時，才能刪除該任務。
有時為了執(zhí)行效率等原因，任務的運行需要禁止基于優(yōu)先級的搶占，這可以通過調(diào)用taskLock( )實現(xiàn)。如果任務1調(diào)用taskLock( )禁止了高優(yōu)先級任務對它的搶占，當任務1被阻塞或被暫停，核心將調(diào)度下一個具有最高優(yōu)先級的就緒任務運行。如果這時任務1又就緒且被調(diào)度運行，搶占又被禁止。但是，禁止基于優(yōu)先級的搶占可以阻止任務切換，卻并不會屏蔽中斷。調(diào)用taskUnLock( )可以解除優(yōu)先級搶占的禁止，通過調(diào)用taskLock( )和taskUnLock( )可以實現(xiàn)對臨界資源的互斥訪問。

4 任務調(diào)度中CPU的占用

如前所述，不同優(yōu)先級的任務是通過搶占獲得CPU使用權的，如果不選時間片輪轉，相同優(yōu)先級的任務之間也是搶占CPU的。任務就緒隊列中正在運行的任務如果不主動放棄CPU，則其它同優(yōu)先級的任務不會得到運行，這樣就有可能看到幾個同優(yōu)先級的任務狀態(tài)同為READY，但實際上只有一個任務在運行的現(xiàn)象。比如在一個任務中用taskSpawn()函數(shù)創(chuàng)建一個同優(yōu)先級或低優(yōu)先級的任務，如果原任務一直占用CPU，新任務就不會開始運行。調(diào)用函數(shù)taskDelay()可以使任務放棄CPU一定的時間，從而實現(xiàn)任務間時間上的同步；也可以放棄CPU零時間，將任務移至同優(yōu)先級就緒隊列的末尾，這樣就可以實現(xiàn)多個同優(yōu)先級的任務并發(fā)運行。另外，由于中斷能夠打斷任務的運行，中斷處理函數(shù)中執(zhí)行的代碼就要盡可能少地占用CPU，并且中斷中不能有獲取信號量的操作。一旦處于等待之中，所有的任務均得不到運行，用戶可能會有CPU不響應的錯覺。

5 堆棧越界

如前所述，每一個任務都有自己的堆棧，任務創(chuàng)建時進行初始化。每個堆棧的大小是固定，但是任務運行過程中并不對堆棧的使用進行限制。由于VxWorks不對內(nèi)存訪問作限制，棧頂超越了原定的值后出現(xiàn)越界，這樣操作系統(tǒng)中該任務堆棧以外的內(nèi)存區(qū)域就可能被改寫，會造成難以預料的結果，甚至可能造成任務的上下文區(qū)域被改寫而任務消失。造成越界的原因主要是在函數(shù)中定義了比較大的數(shù)組，以致進棧時越界。這樣在編寫程序時，就要求在堆棧許可的范圍內(nèi)定義數(shù)組。如果確實需要比較大的內(nèi)存空間，可以使用操作系統(tǒng)的內(nèi)存分配函數(shù)來獲得內(nèi)存。由于堆棧越界后有可能使任務的控制信息被破壞，使得對堆棧越界的檢測比較困難，例如可以在棧底寫入一串特殊字符，用另外一個任務或者中斷服務程序經(jīng)常來檢查是否被改寫來判斷越界。

6 CPU異常

在VxWorks中，當任務的指令執(zhí)行中出現(xiàn)了指令非法、地址尋址錯誤、總線錯、除數(shù)為0等情況時，就會出現(xiàn)CPU異常。比較常見的情況是，指針地址非法或者數(shù)組下標越界就有可能存取有效地址空間以外的地址而造成CPU異常。VxWorks提供一個異常處理句柄（handler）和一個名為tExcTask的任務來處理異常。異常出現(xiàn)后任務成為掛起狀態(tài)（suspend），并且不能轉變?yōu)槠渌鼱顟B(tài)。在VxWorks中，有一個異常向量表來對應各種異常，外部中斷也作為一種特殊的異常。VxWorks的做法是把多種異常的處理映射到同一個異常處理函數(shù)進行處理，并且VxWorks提供了向這個異常處理函數(shù)中鉤掛用戶的異常處理函數(shù)的接口excHookAdd()，也可以將某一個異常向量映射到指定的處理函數(shù)。