单核单片机使用RTOS操作共享资源线程安全吗？

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1.前言

最近听到这样的观点：“我们用的这个STM32单片机是单核心的，即使运行实时操作系统，多个线程共享全局变量都是线程安全的，因为单核单片机不存在并行问题，同一个时间片只能运行一个线程，因此操作共享的全局变量是不需要进行线程同步的”，我相信持有这种观点的同学不在少数，因为大部分从事单片机开发的同学都是电子通信等专业毕业的。怀着这个疑问，我们来做一下实验，毕竟，实践是检验真理的唯一标准。

2.实验

作者手头上只有一块STM32L471的板子，这款单片机是意法半导体旗下的Cortex M4内核的单片机，主打低功耗，我们就使用这款单片机来做一下实验，验证单核单片机多线程共享全局变量是否是线程安全的。

借助STM32 CubeMX工具，我们可以快速创建原型验证项目，为了让实验效果更加显著，我们将单片机的主频设置为最高，以下是使用CubeMX工具配置时钟的界面：

如上图所示，我们使用锁相环将主频倍频至该款单片机支持的最大频率80MHz，外设我们使能调试串口，借助于CubeMX代码生成器的快速配置能力，我们使能FreeRTOS实时操作系统，创建两个线程：

第一个线程取名为task1，关联的线程函数为task1_entry，栈大小采用默认参数即可，优先级设置为Normal，第二个线程的配置如下图所示：

第二个线程跟第一个线程的配置一模一样，名字取为task2，线程入口函数设置为task2_entry，同样优先级设置为Normal，这两个线程优先级均设置为Normal，让两个线程均分时间片以便于观察实验结果。配置完毕后就可以生成代码了，这里我们选择生成STM32CubeIDE项目，各位同学可以按照自己的习惯选择Keil/IAR/CubeIDE等集成开发环境，生成代码后，我们开始添加业务代码。

我们的大体思路是定义一个全局变量，两个线程分别进行10万次自增操作，当操作结束后，打印该变量的值，如果自增操作是线程安全的，那么我们最后打印出来的该值应该为20万，首先在freertos.c文件中定义宏和变量：

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */
#define MAX_NUM (100000)
/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Variables */
int num = 0;
/* USER CODE END Variables */

在task1线程的入口函数添加以下代码：

/* USER CODE BEGIN Header_task1_entry */
/**
  * @brief  Function implementing the task1 thread.
  * @param  argument: Not used
  * @retval None
  */
/* USER CODE END Header_task1_entry */
void task1_entry(void *argument)
{
    /* USER CODE BEGIN task1_entry */
    /* Infinite loop */
    for(;;)
    {
        printf("task1 start, num=%d\r\n", num);
        for(int i = 0; i < MAX_NUM; i++)
        {
            num++;
        }
        osDelay(20000);
        printf("task1 end num=%d\r\n", num);
        osDelay(0xffffffff);
    }
    /* USER CODE END task1_entry */
}

在task1_entry中，我们首先打印num的初始值，然后让num变量自增10万次，延时20秒等待两个线程均自增完毕，打印num的最终值，最后让线程进入无限延时的状态。线程2也作同样的修改：

/* USER CODE BEGIN Header_task2_entry */
/**
* @brief Function implementing the task2 thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_task2_entry */
void task2_entry(void *argument)
{
    /* USER CODE BEGIN task2_entry */
    /* Infinite loop */
    for(;;)
    {
        printf("task2 start, num=%d\r\n", num);
        for(int i = 0; i < MAX_NUM; i++)
        {
            num++;
        }
        osDelay(20000);
        printf("task2 end num=%d\r\n", num);
        osDelay(0xffffffff);
    }
    /* USER CODE END task2_entry */
}

至此，代码修改完毕，编译并下载程序到目标板上，观察结果。

3.结果及原理分析

运行代码后，单片机输出的日志如下：

从图中可以看到程序运行结束后，两个线程打印出来的num的结果都是10万，这个跟我们之前设想的20万结果完全不一致，有的同学可能会说你的num变量没有定义为volatile，编译器优化后，各自线程直接就操作寄存器了，导致最后结果不对，那么我们按照这个思路修改一下，将num变量定义为volatile：

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Variables */
volatile int num = 0;
/* USER CODE END Variables */

在num变量前添加volatile关键字进行修饰，再次边缘并运行，查看最终结果：

可以看到，实验结果确实有所变化，但是与我们的预期还是大相径庭，这是为什么呢，我们来看一下num++的汇编代码：

LDR r1,[r4,#0x00]
ADDS r1,r1,#1
STR r1,[r4,#0x00]

从num++对应的汇编代码可以看到，自增运算总共需要3个步骤，即从内存中读取值到寄存器，寄存器修改值，将寄存器的值再写入内存，由于自增运算需要3个步骤完成，因此并不是原子操作，存在线程安全问题，举个极端的例子，这两个线程轮流执行一条汇编指令，程序开始后，线程1先执行，从内存中将num的值0加载到寄存器，然后轮到线程2执行，同样将num的值加载到寄存器，此时num的值也是0，线程1继续执行，将寄存器的值加1，此时线程1寄存器的值为1，线程2执行，将寄存器的值加1，此时线程2寄存器的值也为1，线程1执行，将寄存器的值1写入到num，此时num的值为1，线程2执行，同样将寄存器的值写入到num，最终num的值还是1，这样一直运行到最后，num最终的值也就是10万，这个跟我们预期的效果完全不一样，因此多线程访问同一个全局变量是存在隐患的，要保证线程安全，我们需要可以对共享资源进行加锁或者使用临界区在num自增时禁止线程切换，修改一下代码：

void task1_entry(void *argument)
{
    /* USER CODE BEGIN task1_entry */
    /* Infinite loop */
    for(;;)
    {
        printf("task1 start, num=%d\r\n", num);
        for(int i = 0; i < MAX_NUM; i++)
        {
            taskENTER_CRITICAL();
            num++;
            taskEXIT_CRITICAL();
        }
        osDelay(20000);
        printf("task1 end num=%d\r\n", num);
        osDelay(0xffffffff);
    }
    /* USER CODE END task1_entry */
}

两个线程均按照上述代码进行修改，在自增操作之前，进入临界区，自增操作后，离开临界区，保证自增操作的原子性，编译、下载并运行，最终日志如下：

最终输出的结果跟我们预期的一致。

4.总结

本文设计了实验来验证单核单片机共享全局变量是否是线程安全的，通过实验结果来看即使是单核单片机也存在线程不安全的情况，文章分析了造成线程不安全的原因，并给出了解决方案，平时我们在使用生产者消费者结构以及多线程操作共享的循环队列，操作共享的链表时尤其需要注意，如果不注意线程安全问题，尽管你测试的时候功能都正常，但是有小概率整个程序的运行逻辑会进行改变。如果您的程序在大批量设备上应用，偶尔出现莫名的逻辑错误问题，可以排查一下是否存在共享资源线程安全问题。对于裸机程序来说，中断的引入也有可能导致共享的变量出现问题，后续文章会设计相应的实验并进行详细讲解。

作者：mysoftlab