如何使用 HAL 锁定和解锁功能？为什么？

Question

我正在尝试理解另一位程序员编写的代码。它使用I²C通信将数据写入STM32微控制器的EEPROM。

大体上我理解他的代码是如何工作的，但我不明白他为什么使用 HAL_LOCK 和 HAL_UNCLOCK 函数。

这些是这些方法的代码：

typedef enum
{
    HAL_UNLOCKED = 0x00U,
    HAL_LOCKED   = 0x01U
} HAL_LockTypeDef;


#if (USE_RTOS == 1)

    /* Reserved for future use */
    #error "USE_RTOS should be 0 in the current HAL release"

#else

  #define __HAL_LOCK(__HANDLE__)                 \
      do{                                        \
          if((__HANDLE__)->Lock == HAL_LOCKED)   \
          {                                      \
             return HAL_BUSY;                    \
          }                                      \
          else                                   \
          {                                      \
             (__HANDLE__)->Lock = HAL_LOCKED;    \
          }                                      \
      } while (0)


  #define __HAL_UNLOCK(__HANDLE__)              \
      do{                                       \
          (__HANDLE__)->Lock = HAL_UNLOCKED;    \
      } while (0)

在哪些情况下可以使用这些方法？

Answer 1

有人尝试使用这些宏（有时称为 "lock" 或 "critical section"，但这些术语有其他含义；"mutex" 是明确的）。这个想法是你写这样的代码：

int frob_handle(handle_t hdl)
{
    __HAL_LOCK(hdl);
    hdl->frob_counter += 1;
    __HAL_UNLOCK(hdl);
    return 0;
}

然后一次只有一个执行线程可以执行语句hdl->frob_counter += 1。（在一个真实的程序中，那里可能会有更多的代码。）它是 "advisory" 因为没有什么可以阻止你在需要时忘记使用互斥锁，它是 "non-recursive" 因为你可以'如果您已经锁定它，请不要再次调用 __HAL_LOCK。这些都是互斥量相对正常的属性。

在问题的评论中，我说这些宏是"catastrophically buggy"和"I believe you are better off not using them at all."最重要的问题是__HAL_LOCK不是atomic。

// This code is incorrect.
if ((__HANDLE__)->Lock == HAL_LOCKED)
  return HAL_BUSY;
else
  (__HANDLE__)->Lock = HAL_LOCKED;

假设两个执行线程正试图同时获取锁。它们会同时从内存中获取 __HANDLE__->Lock，因此它们都会观察到它的值为 HAL_UNLOCKED，并且它们都会继续处理本应仅由一个线程执行的代码一次。把可能生成的汇编语言写出来可能更容易看出问题：

    ; This code is incorrect.
    ; r1 contains the __HANDLE__ pointer
    load.b  r0, Lock(r1)
    test.b  r0
    bnz     .already_locked
    inc.b   r0
    store.b Lock(r1), r0
    ...
.already_locked:
    mov.b   r0, #HAL_BUSY
    ret

没有什么可以阻止两个线程同时执行加载指令，因此两个线程都观察到要解锁的互斥体。即使只有一个 CPU，当线程 1 在加载和存储之间时，也可能会触发中断，从而导致上下文切换并允许线程 2 在线程 1 执行存储之前执行加载。

为了使互斥锁发挥作用，您必须以某种方式确保两个并发线程 不可能 从 __HANDLE__->Lock 加载 HAL_UNLOCKED，而这用普通的C是做不到的。事实上，用普通的机器语言是做不到的；您需要使用特殊指令，例如 compare-and-swap.

如果您的编译器实现了 C2011, then you can get at those special instructions using the new feature of atomic types，但我不知道如何做到这一点，我不会写出可能有问题的东西。否则，您需要使用编译器扩展或 hand-written 程序集。

第二个问题是 __HAL_LOCK 没有实现通常称为 "lock" 的操作。如果 "Lock" 不能立即获取锁，它应该 wait，但是 __HAL_LOCK 所做的是 fail。该操作的名称是 "try-lock"，宏应该相应地命名。此外，可能导致调用函数 return 的宏被认为是不好的做法。

如何使用 HAL 锁定和解锁功能？为什么？

How are the HAL lock and unlock functions used and why?

c

hal

stm32

i2c