第6回 セマフォによる排他制御
こんにちは。
前回まではOSの機能を使わないで並行処理を行うプログラム間で排他制御を行う手段に関して述べてきました。今回はRTOSの提供する、排他制御のための最も基本的な仕組みであるセマフォに関して説明します。ただしセマフォの基本的な使い方などは説明していませんので、マニュアルなどで確認してください。
ここで少し復習しておきます。まず組込みシステムとは現実の様々なイベントに対応して、さまざまな処理を実行しなければなりません。そのためにはひとつのプログラムの中で、さまざまなイベントに対応した処理を行うよりも、個々のイベントに対応したプログラムを個別に作っておき、イベントの発生に応じてそのプログラムを実行したほうが、呼び出す処理と呼び出される処理が分離され、さらに単独のイベントに対する処理の作成に専念できるためプログラムも短くなり、品質も向上します。
もちろん処理に優先度をつけリアルタイム性を満足させたり、ある処理の実行中にそれを一時停止しておき他の処理を実行させることも並行処理の実行による利点となります。
並行処理実現の具体的手段（これもインスタンスと呼んでもよいのかもしれません）としては、割り込み処理(ISR)とOSの機能であるタスクがあります（OSが並行処理を実現するためにも割り込みを利用するという意味では、すべて割り込みなのですが・・・）。ISRとタスクは、ある意味並行処理の二重構造なのですが、その話をすると長くなるのでここではそういうものだということで話を進めます。
RTOSを使用している組込みシステムでは、ほとんどの並行処理はタスクで実現しています。並行処理をタスクで実現するほうが、RTOSの提供する様々な機能を使用することが出来るし、デバッグにもRTOSの提供する様々な機能を利用できるからです。
排他制御のためにRTOSが提供している、最も基本的な機能が今回お話しするセマフォです。セマフォは排他制御だけでなく、同期にも使用しますが、ここでは排他制御に話を絞ります。
表1は第4回にも載せたタスクとISRの比較の排他制御に関連する部分のみの抜粋です。
| 並行性の実現手段 | タスク | ISR |
|---|---|---|
| 排他制御の手段 | セマフォが代表 他にもRTOSの提供する多くの手段がある |
割り込み禁止および許可 |
| 排他制御の（悪）影響 | 関連するタスクのみに限られる 関連しない優先度の高いタスクには影響を与えない 優先度逆転などによるデッドロックに注意 |
システム全体、全ISRに及ぶ優先度の高いISRも停止させてしまう |
| 特徴 | 多項目に及ぶが使い方を誤ってもシステム全体に影響を及ぼすことはまれ ただし優先度の高いタスクで使用する場合は要注意 またデッドロックにも要注意 |
比較的単純に使えるが、使い方を誤るとシステム全体の性能に影響を及ぼすため危険 使い方を誤ると最悪システムダウンを招く |
例によってセマフォの一般的な仕組みを示します。まず図1はセマフォのデータ構造を、リスト1はRTOSの内部的なセマフォの処理の概要を示します。
図1 セマフォのデータ構造
リスト1 セマフォの内部動作
セマフォのデータ構造はセマフォの値(0以上の整数値S)と、そのセマフォが解放されるのを待っているタスクの待ち行列、そのセマフォを所有しているタスクの情報、待ち行列がFIFO順なのか、優先度なのかの情報など、優先度継承セマフォなどセマフォの種類によっては必要なその他の情報などから構成されています。
またリストはシングルCPUの場合です。話を簡単にするため以後はシングルCPUのみを対象とします。なお特に特定のRTOSの内部構造を示したものではありません。
セマフォ操作中、タスクの待ち行列を操作するような処理は割り込み禁止にして、排他制御を実現していますが、その部分は省略しています。
semGiveがISRから呼び出された場合、semGiveの大部分はISRのコンテキストで実行されますが、⇒以降の処理はISRの中では実行されず、ISRを終了してRTOSに制御が移った時に実行されます。RTOSの種類にもよりますが、セマフォの解放処理をISRから呼び出せるとしても、ISRの中で実行されるのはシステムレディキューへのタスクの登録までで、セマフォを獲得できたことによって実行可能になったタスクが実際に実行されるのはISRが終了してRTOSに制御が移り、さらにRTOSがタスクを起動するタイミングになってからです。もちろん、その場合も実行はタスク優先度に応じてです。
タスクからセマフォ獲得要求(semTake)を発行してそのままセマフォを獲得できた場合、セマフォ解放操作(semGive)をして待っているタスクがいない場合は、そのままそのタスクが実行を続け、タスクの再スケジューリングは発生しないことに注意してください。
説明の順番が逆になってしまいましたが、今説明したように、通常はタスクからしか呼び出せないセマフォですがVxWorksではsemGive()はISRからも呼び出すことが出来ます。
リストからもわかるようにsemGive()ではセマフォの解放待ち状態になることはないからです。もちろんISRからのsemGive()の呼び出しではその時点ですぐにタスクが起動されるわけではありません。
semGive()をISRから呼び出す場合はsemTake()で待っているタスクとの同期などに使用する時などです。
VxWorksのセマフォとしては排他制御セマフォ、バイナリセマフォ、カウンティングセマフォがあります。
排他制御セマフォは、いうなればタスク間の排他制御専用のセマフォで、機能的にはバイナリセマフォなのですが、それに優先度継承機能や、タスク削除遅延機能、セマフォを所有しているタスクは同じセマフォに対して複数回のsemTake()を発行できる再帰的アクセス機能などを追加したものです。なお排他制御セマフォに対してはISRからはsemGive()であっても呼び出すことはできません。
バイナリセマフォやカウンティングセマフォは排他制御にも同期にも使用できるセマフォです。
RTOSの中にはバイナリセマフォというものはなく、単に最大値が1のカウンティングセマフォの扱いとなっているものもありますがVxWorksでは区別しています。
それはVxWorksにおいては、最も使用頻度の高いセマフォはアセンブラで作られていて、速度が最適化されているからです。一方カウンティングセマフォのほうはC言語で作られていて移植性を確保しています。これはRTOSメーカのやり方として、ユーザーメリットとメーカーメリットを両立させる、なかなか良い選択だと思います。
生産者と消費者の問題、リーダーライター問題、食事する哲学者の問題など古典的排他制御の問題を含む各種排他制御の問題は、個人的には興味があり、書いてみたいのですが今回の趣旨を外れるのと、分量の関係からまた別の機会に回します。
その代わり、最後にまた一つ問題を出しておきますので、興味のある人は是非考えてみてください。
今回書いたようにカウンティングセマフォでバイナリセマフォを実現することは簡単です。では逆はどうでしょうか？
バイナリセマフォしか提供していないRTOSのもとでタスクレベルでカウンティングセマフォを実現する手段（プログラム）を考えてみてください。
割り込み禁止／許可も使用しないこととします。
次回はデバイスドライバに関して述べたいと思います。
第6回おわり
■著者プロフィール
南角 茂樹（なんかく しげき）
大阪電気通信大学 総合情報学部 メディアコンピュータシステム学科 准教授、同大学院総合情報学研究科（コンピュータサイエンス専攻）、エイシップ・ソリューションズ株式会社 研究顧問。
慶應義塾大学工学部数理工学科卒業後、大手電機会社を経て現職。組み込みシステムおよびリアルタイムOSを専門とし、著書、解説記事、発表・講演、登録特許等多数。
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