4.2.8 调度器锁定

学习阁2026/7/16大约 6 分钟内核组件内核任务管理调度器锁定临界区

4.2.8 调度器锁定

📚 本节导读

学习时长: 约 15 分钟
难度级别: ⭐⭐⭐☆☆
前置知识: 任务调度机制、临界区概念

🎯 学习目标

理解调度器锁定的作用和适用场景
掌握 os_schedule_lock() / os_schedule_unlock() 的用法
理解调度器锁定与关中断的区别
了解调度器锁定期间的注意事项

一、调度器锁定概述

1.1 什么是调度器锁定？

调度器锁定（Schedule Lock）是一种轻量级的临界区保护机制。当调度器被锁定后，内核不会进行任务切换，当前任务可以独占 CPU 直到调度器被解锁。

1.2 调度器锁定的特点

特性	说明
可嵌套	支持嵌套锁定，使用计数 `g_os_sched_lock_cnt` 管理
中断仍可响应	锁定调度器不会关闭中断，ISR 仍可正常执行
不可在锁定期间阻塞	锁定期间不能调用会导致任务阻塞的 API
不可在锁定期间延时	锁定期间不能调用 `os_task_tsleep()` / `os_task_msleep()`
SMP 支持	每个 CPU 核心独立维护锁定计数

1.3 锁定计数机制

调度器使用一个计数器来跟踪锁定状态：

/* 单核模式 */
int16_t g_os_sched_lock_cnt = 0;  /* 0 = 未锁定，> 0 = 已锁定 */

/* SMP 模式 */
static int16_t gs_os_sched_lock_cnt[OS_SMP_MAX_CPUS] = {0}; /* 每个 CPU 独立计数 */

每次调用 os_schedule_lock() 计数器加 1，每次调用 os_schedule_unlock() 计数器减 1。只有当计数器回到 0 时，调度器才真正解锁。

二、API 函数

2.1 `os_schedule_lock()` —— 锁定调度器

void os_schedule_lock(void);

锁定后，调度器不会进行任务切换。即使有更高优先级的任务就绪，当前任务也会继续运行。

内部实现：

void os_schedule_lock(void)
{
    OS_KERNEL_ENTER();  /* 关中断，进入临界区 */

    g_os_sched_lock_cnt++;  /* 锁定计数 +1 */

    OS_KERNEL_EXIT();   /* 开中断，退出临界区 */
}

2.2 `os_schedule_unlock()` —— 解锁调度器

void os_schedule_unlock(void);

解锁调度器。如果锁定计数降为 0，并且有更高优先级的任务就绪，会立即触发任务切换。

内部实现：

void os_schedule_unlock(void)
{
    OS_KERNEL_ENTER();

    sched_lock_cnt = --g_os_sched_lock_cnt;

    if (sched_lock_cnt == 0)
    {
        /* 计数归零，触发调度（如有更高优先级任务就绪） */
        OS_KERNEL_EXIT_SCHED();
    }
    else if (sched_lock_cnt > 0)
    {
        /* 仍有嵌套锁定，仅退出临界区 */
        OS_KERNEL_EXIT();
    }
    else
    {
        /* 锁定计数为负，使用错误 */
        OS_ASSERT_EX(OS_FALSE, "Task use schedule lock correctly");
    }
}

2.3 `os_is_schedule_locked()` —— 检查锁定状态

os_bool_t os_is_schedule_locked(void);

返回值	说明
`OS_TRUE`	调度器已锁定
`OS_FALSE`	调度器未锁定

三、使用示例

3.1 基本用法

void critical_operation(void)
{
    /* 锁定调度器，确保原子操作 */
    os_schedule_lock();

    /* 以下代码不会被其他任务打断 */
    shared_var1 = new_value1;
    shared_var2 = new_value2;
    /* 两个变量作为一个整体被更新 */

    os_schedule_unlock();
}

3.2 嵌套锁定

void outer_function(void)
{
    os_schedule_lock();  /* 锁定计数 = 1 */

    /* 临界区代码 A */

    inner_function();

    /* 临界区代码 B */

    os_schedule_unlock();  /* 锁定计数 = 0，允许调度 */
}

void inner_function(void)
{
    os_schedule_lock();  /* 锁定计数 = 2 */

    /* 嵌套临界区代码 */

    os_schedule_unlock();  /* 锁定计数 = 1 */
}

3.3 保护共享资源

static int g_counter = 0;

void increment_counter(void)
{
    os_schedule_lock();  /* 防止任务并发访问 */

    int temp = g_counter;
    temp++;
    g_counter = temp;    /* 原子操作 */

    os_schedule_unlock();
}

注意：上述示例假设只有任务会访问 g_counter。如果 ISR 也会访问，则需要使用关中断或自旋锁来保护。

四、调度器锁定 vs 关中断

维度	调度器锁定	关中断
保护范围	仅防止任务切换	防止所有中断和任务切换
中断响应	✅ 中断仍可响应	❌ 中断被屏蔽
实时性影响	较小（仅影响任务调度）	较大（影响中断延迟）
可嵌套	✅ 支持	✅ 支持
适用场景	任务间临界区保护	任务与 ISR 共享数据的保护
性能开销	较低	较低

选择指南

是否需要保护数据免受 ISR 访问？
    │
    ├── 是 → 使用关中断（os_irq_lock / os_irq_unlock）
    │
    └── 否 → 仅需防止任务间竞争？
                │
                ├── 是 → 使用调度器锁定
                │
                └── 否 → 使用互斥锁 / 信号量等 IPC 机制

五、注意事项

5.1 不要在锁定期间阻塞

调度器锁定期间，绝对不能调用任何可能导致任务阻塞的 API，包括但不限于：

os_task_tsleep() / os_task_msleep() —— 会导致断言失败
os_sem_wait() —— 会阻塞当前任务，但调度器已锁定无法切换
os_mutex_lock() —— 同上
任何带有 OS_WAIT_FOREVER 超时的 IPC 操作

/* 错误示例：锁定期间延时 */
os_schedule_lock();
os_task_msleep(100);  /* ❌ 断言失败！调度器已锁定 */
os_schedule_unlock();

5.2 锁定时间尽量短

调度器锁定期间，更高优先级的任务无法运行，这会影响系统的实时性。因此锁定时间应尽可能短：

/* 推荐：锁定时间短 */
os_schedule_lock();
g_flags |= FLAG_READY;  /* 简单的标志位操作 */
os_schedule_unlock();

/* 不推荐：锁定时间长 */
os_schedule_lock();
compute_heavy();        /* 复杂计算，耗时较长 */
send_data();            /* 发送大量数据 */
os_schedule_unlock();

5.3 确保配对使用

每次 os_schedule_lock() 必须有对应的 os_schedule_unlock()。不配对会导致调度器永久锁定或锁定计数异常。

/* 推荐：使用 RAII 风格（如果支持）或在同一函数中配对 */
void safe_function(void)
{
    os_schedule_lock();
    /* 临界区代码 */
    os_schedule_unlock();
}

/* 不推荐：在不同分支中锁定但未解锁 */
void unsafe_function(void)
{
    os_schedule_lock();
    if (error_condition)
    {
        return;  /* ❌ 忘记解锁！ */
    }
    os_schedule_unlock();
}

5.4 与互斥锁的区别

维度	调度器锁定	互斥锁
粒度	全局（所有任务）	指定资源
保护对象	任务间临界区	特定共享资源
优先级继承	不支持	支持
阻塞行为	不可阻塞	获取失败时阻塞
死锁风险	低（不可阻塞）	存在

对于共享资源的保护，优先使用互斥锁；调度器锁定适用于需要确保多个操作原子性、且操作时间极短的场景。

📝 本节小结

调度器锁定是 OneOS 提供的一种轻量级临界区保护机制，通过 os_schedule_lock() 和 os_schedule_unlock() 控制。锁定期间任务不会切换，但中断仍可响应。与关中断相比，调度器锁定对实时性影响更小，但无法保护任务与 ISR 之间的共享数据。使用时应确保锁定时间短、配对使用，且绝对不要在锁定期间调用可能导致阻塞的 API。