操作系统开发：(7) 优先级反转与继承、TLS 及核亲和性

本节来到核心模块任务控制块的学习，在源码中，该模块依赖于大量配置项、宏定义和移植层，在这里我们先实现其核心功能，部分配置项如单核/多核、是否打开禁用抢占、优先级集成等等配置，我们默认开启并实现其功能，部分功能依赖移植层，这里不考虑，待之后再实现。

以下为相关基础知识，之后实现其源码：

1. 优先级反转与优先级继承

1.1 例：优先级反转（Priority Inversion）

小张拿到了打印机（cpu），先去打印一份报告（低优先级）
这时王总突然要紧急打印合同（高优先级）→ 但他得等小张用完打印机
更糟的是，小李（中优先级）这时候跑过来处理邮件，小李优先级比小张高，占用了打印机
结果：王总在等小张，但小张又抢不过小李，一直没法用完打印机 → 王总被间接卡住！

这就是 优先级反转：高优先级任务被低优先级任务拖慢，还被中优先级任务插队。

1.2 解决方案：优先级继承（Priority Inheritance）

操作系统发现王总在等小张，那需要让小张快点用完打印机

于是它做了一件事：

临时把小张的优先级提升到和王总一样高

这样：

小李（中优先级）再也插不了队
小张立刻继续打印，快速释放打印机
王总马上拿到打印机，完成任务
小张用完后，优先级自动降回原来水平

即 TCB 中这两个成员的作用：

cpp 复制代码

    // 优先级继承
    uint32_t u32BasePrio;      // 基础优先级
    uint32_t u32MtxHeld;       // 持有的互斥量数量

u32BasePrio：记住本来的优先级是多少→ 即使临时升到 CEO 级别，也知道事情办完要降回去
u32MtxHeld：记录现在拿着几个互斥量→ 只有当所有互斥量都还回去（u32MtxHeld== 0），才能把优先级降回 u32BasePrio。（比如小张同时拿了打印机+扫描仪，必须两个都还了才算完）

2. 任务通知（Task Notifications）

一种超轻量级通信机制，比信号量、队列更快。

cpp 复制代码

    // 任务通知

    volatile uint32_t notifiedVal[CFG_TSK_NOTICE_SIZE];  // 任务通知值

    volatile uint8_t  notifyState[CFG_TSK_NOTICE_SIZE];  // 任务通知状态

    #define tskNOT_WAITING_NOTIFICATION 0

    #define tskWAITING_NOTIFICATION     1

    #define tskNOTIFICATION_RECEIVED    2

**例：**温度监控

任务A（传感器任务）：读到温度 = 35℃
任务B（报警任务）：需要知道温度是否过高

**传统做法：**建一个队列，任务A往里写，任务B从里读 → 要分配内存，有开销。

用任务通知：

任务B说："我等着你通知我" → 进入等待状态（notifyState[0] = tskWAITING_NOTIFICATION）
任务A直接调用相关函数;
- 把数字 35 写进任务B的 notifiedVal[0]
- 把任务B的状态改成 tskNOTIFICATION_RECEIVED
- 如果任务B正在等，就立刻唤醒它

任务B醒来后，读 notifiedVal[0] 就知道温度是 35℃。

3. 线程本地存储（Thread Local Storage, TLS）

3.1 用户级任务私有上下文管理

cpp 复制代码

void* TLSPointers[ CFG_TLS_NUM ];

定义： 每个任务（线程） 拥有自己独立的私有数据指针数组，其他任务无法访问。
目的： 让不同任务在共享同一个函数或库时，能各自保存自己的上下文或状态，而不会互相干扰。

如 C++ 中的 thread_local 或 POSIX 的 pthread_key_t 。
例：

一个日志函数 log_write() 需要知道当前任务的日志级别。

如果用全局变量，所有任务会共用一个级别 → 冲突。

如果用 TLS，每个任务可设置自己的日志级别 → 安全。

3.2 C 库存储任务的 TLS 数据

cpp 复制代码

uint8_t TLSBlock[64];

TLSBlock 是为每个任务预留的一块私有内存，专门供 C 标准库（如 newlib、glibc）或编译器在多任务环境下安全使用 errno、strtok、浮点上下文等需要每个任务独立副本的内部变量。

用户不需要也应该自己调用或使用。

例如：

如果任务 A 调用 fopen 失败，errno 被设为 2（No such file）。
此时任务切换到 B，B 也调用 fopen 失败，errno 被覆盖为 13（Permission denied）。
当切回任务 A 打印 errno 时，它看到的是 13 ，而不是自己应该看到的 2

这就是 多任务共享全局变量导致的数据污染。

TLSBlock[64]是 一块每个任务独有的内存，C 库把 errno、strtok 内部指针等都存进去，相关代码需要在移植层实现。

例：C 库如何找到这块内存？

当用 GCC + newlib（常见于 ARM Cortex-M），C 库会调用一个函数（如 __aeabi_read_tp()）来获取"当前线程的 TLS 基地址"。
移植层（port layer）会重定向这个函数，让它返回 &curTCB->TLSBlock。
于是 C 库就知道当前任务的 errno 就在 TLSBlock + offset_of_errno 这个位置。

4. 核亲和性（Core Affinity）掩码

cpp 复制代码

#if ( CFG_NUM_CORES > 1 && CFG_CORE_AFFINITY == 1 )
    uint32_t coreAffinityMask;
#endif

例如：

4 核系统（Core 0, 1, 2, 3）
某个任务设置 coreAffinityMask = 0b00000101（即 bit0 和 bit2 为 1）
那么该任务只能在 Core 0 或 Core 2 上执行，不会被调度到 Core 1 或 3。