0 引言

    Nucleus PLUS是美國源代碼操作系統商品ATI公司推出的新一代搶先式多任務嵌入式操作系統，具有高移植性，并能夠支持大多數類型的處理器^[1]。對稱多處理器是指一個計算機上有多個處理器,各處理器共享內存子系統以及總線結構^[2]。與傳統操作系統不同的是，嵌入式操作系統對系統響應時間的實時性要求非常高。在對稱多處理器環境下，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制來保證同步問題。

    在電力設備產品中使用的操作系統大多是Nucleus嵌入式操作系統，在產品運行過程中出現過產品死鎖現象，經過問題查找發現是自旋鎖的使用不當造成的死鎖。因此針對自旋鎖的使用展開了重點測試。

    通過詳細分析自旋鎖代碼及實現機制，對自旋鎖如何進行測試提供了詳細的測試思路及測試方法。

1 Nucleus PLUS內核簡介

    Nucleus PLUS內核是操作系統的核心，主要負責管理實時任務之間的競爭運行、系統內存的分配以及如何回收等，同時對外部事件必須保持快速響應，以實現其實時性，保證系統的性能和穩定性。Nucleus PLUS的系統結構如圖1所示。

    線程控制部件用來管理實時任務和高級中斷服務的執行，它是Nucleus嵌入式實時操作系統最核心的部分。在系統任務控制方面，根據優先級及時間片共享處理器。通過任務之間的同步和互斥來選擇不同的通信機制。內存機制采用了兩種方法：動態內存和分區內存。Nucleus PLUS將這些組件稱為軟件組件，并提供了很多系統調用方法。

2 Nucleus PLUS自旋鎖機制

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可簡單采用關閉中斷的方式，即在標志寄存器中關閉/打開中斷標志位，不需要自旋鎖。而對于多處理器環境下，為了解決同一時刻多任務同時訪問內核和其他資源，保證內核、進程及其他資源有秩序、正確地執行，引入新的一種鎖的機制，即“自旋鎖”。自旋鎖是專為防止多處理器并發而引入的一種鎖，它在內核中大量應用于中斷處理，以及解決多處理器環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用者睡眠，不需要進入等待隊列。如果自旋鎖已經被別的任務所持有，調用者就一直循環檢測直至自旋鎖的持有者釋放該自旋鎖，節省了任務從睡眠狀態到喚醒之間內核會產生的消耗，在加鎖時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。

    自旋鎖在使用中，無論自旋鎖還是信號量，任何時刻最多只能有一個持有者。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阻塞或喚醒時任務情景切換而產生的開銷，更適用于中斷服務處理和任務之間共享同一資源的情況。

3 Nucleus PLUS自旋鎖測試

3.1 測試環境

    測試環境由PC、仿真器、目標系統組成。測試環境構成如圖2所示。

    編程環境采用Sourcery CodeBench集成開發環境，將編譯好的目標文件通過TFTP方式下載到目標機上。PC通過網口或者串口與仿真器連接，實現與目標板卡之間的通信及監測數據。仿真器與目標機通過JTAG接口連接，目標板卡采用雙核ARM9處理器。

    測試驅動在整個測試過程中很關鍵，經過對自旋鎖機制深刻研究，編寫出用于控制測試用例執行的驅動程序，如圖3所示。

    驅動程序主要包含：測試用例數據結構設計，如何調用自旋鎖相關代碼的接口，返回自旋鎖相關函數的返回值，各種全局變量信息以及輸出信息數據結構的打印。測試用例數據結構設計的好壞將直接影響測試用例的執行效率。輸出的數據結構信息可以在用例執行過程中實時觀察數據變化信息，幫助記錄任務執行某個運行節點下的內核對象狀態，便于監測測試結果的正確性，從而快速地對問題進行準確定位及回歸測試。

3.2 測試思路

    在Nucleus PLUS中，自旋鎖是一個互斥設備，只有加鎖和解鎖兩個狀態。任務或中斷處理程序請求自旋鎖時，如果該鎖為解鎖狀態，則嘗試將該自旋鎖置為加鎖狀態，如果加鎖成功，代碼繼續進入臨界區。如果該鎖為加鎖狀態，則代碼進入忙循環，此狀態不是休眠，并重復檢查這個鎖，直到該鎖可用為止。即使多個任務在某時間內自旋，也只有一個任務能夠獲取該鎖^[3]。

    在設計測試用例時，主要就是如何設計任務和中斷之間在不同優先級、不同時間段申請和釋放自旋鎖。下面設計了幾種綜合的用例場景，要注意任務、中斷在不同的執行順序下結果是不同的。

    (1)用例場景1：當多任務同時申請自旋鎖，無中斷任務申請自旋鎖情況下，每個任務執行順序如圖4所示。這種情況下在任務1申請自旋鎖成功后可重復申請此自旋鎖，也只有在任務1重復釋放此自旋鎖后，其他任務才可以申請自旋鎖成功。

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

    當任務采用可被中斷方式申請自旋鎖時，根據任務和中斷是否在同一個處理器上，所產生的結果是不同的。

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

    (4)用例場景4：當任務和中斷在同一CPU上，采用可被中斷方式申請自旋鎖時，由于任務無法釋放自旋鎖，中斷一直忙等，最終產生死鎖現象。如圖7所示。

    當任務采用“關中斷”方式申請自旋鎖時，就會在申請自旋鎖前先把中斷關閉，不會產生死鎖現象。

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

3.3 測試用例設計

    整個測試過程采用單元測試、集成測試相結合的方法進行，采用最常用的等價類劃分、邊界值等方法對自旋鎖進行白盒測試。隨著自旋鎖的創建、申請、釋放、刪除等操作的發生，自旋鎖的狀態也在不斷變化。也可采用有限狀態機對自旋鎖建立模型，提取路徑設計用例，充分地對自旋鎖的實現機制進行測試。同時也要對接口的一些異常輸入或者邊界環境條件下能保持正常工作的情況進行測試，從而保證對接口能夠進行全面化的測試。

    在設計測試用例過程中，首先要設計正常功能的測試用例，然后設計異常測試用例，觀察函數內部是否進行了異常判斷，最后集成幾個接口配合進行整體功能測試，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接口設計的測試用例。

    (1)自旋鎖創建及刪除接口。

    正常創建自旋鎖，創建一個已經創建的自旋鎖，異常創建。

    (2)自旋鎖申請及釋放接口。

    分多種用例場景進行測試，主要考慮表2所示幾個方面。

    (3)自旋鎖“關中斷”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行一遍，還要把功能不同點重點測試。不同之處表現在以下幾點：

    ①在獲取鎖之前關中斷，釋放鎖后將中斷狀態恢復至原來狀態。

    ②不支持同一任務多次加鎖同一個鎖。

    ③線程在被自旋鎖保護的臨界區不會被打斷，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，申請加鎖時如果鎖的狀態時是“加鎖”，則不再忙等。

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

    (6)返回自旋鎖創建個數函數、自旋鎖信息函數、返回自旋鎖指針函數：

    ①創建多個自旋鎖，查看返回自旋鎖個數、自旋鎖的信息及自旋鎖指針的正確性。

    ②刪除某個自旋鎖后，查看返回自旋鎖個數、自旋鎖的信息及自旋鎖指針的正確性。

    ③創建0個自旋鎖、無效自旋鎖等異常測試用例設計。

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進行了白盒測試，測試效果很顯著，不僅對自旋鎖的基本功能進行了驗證，還對異常、死鎖情況進行分析，實現了功能、代碼語句全覆蓋。

    測試過程中也發現一些問題，以及某些接口在使用過程需要注意的事項，避免因使用不當產生死鎖等問題，造成應用平臺功能不可用。下面列出了幾條自旋鎖使用中的注意事項。

    (1)自旋鎖申請、釋放函數接口的使用是不安全的，容易導致死鎖^[3]。由于這個接口在使用時是不關閉中斷，使用時應注意以下幾點：使用自旋鎖進行同步的多個任務不要綁定到一個處理器上，臨界區盡可能小，臨界區不要睡眠，任務的優先級不宜有差別。

    (2)使用關中斷的自旋鎖在釋放時，傳入的中斷狀態應設置為申請自旋鎖之前的中斷狀態，而不應簡單通過傳入0值去開中斷。否則在嵌套使用自旋鎖時會導致死鎖。申請自旋鎖時，關中斷僅僅關閉了本處理器的中斷，另一個處理器上的中斷仍然產生。

    (3)試探性方式申請自旋鎖時，應根據返回值來做相應的處理。當返回值為此自旋鎖已被占用時，不能訪問被保護的臨界資源。

4 結論

    本文重點研究了在Nucleus PLUS對稱多處理機嵌入式操作系統的環境下，運用多種測試方法設計全面測試用例，對自旋鎖組件進行白盒測試。在測試過程中發現了在何種情況下自旋鎖會發生死鎖現象，同時詳細介紹了自旋鎖組件在使用過程中的注意事項。整體測試效果良好，對操作系統其他組件的測試有著較高的借鑒價值。

參考文獻

[1] 魏振華.嵌入式實時操作系統Nucleus中線程控制部件的實現方法[J].計算機應用研究，2003(4)：97-100.

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

[3] 張文盛.一種Linux內核自旋鎖死鎖監測機制的設計與實現[J].合肥學院學報，2012，22(2)：31-35.

[4] 徐宇柘.Nucleus實時操作系統在繼電保護系統中的實時性研究[J].電腦知識與技術，2007(13)：3-5.

[5] 吳雨俊.實時操作系統Nucleus的中斷處理機制研究[J].福建電腦，2012(3)：95-96.

[6] 王繼剛.嵌入式操作系統異常處理框架設計與實現[J].電子技術應用，2017，43(5)：60-63，66.

[7] 李建軍.國產化嵌入式操作系統軟件測試方法研究[J].微型機與應用，2016(24)：22-24.