Practical RTOS Internals · 24/53

Mutex 내부 구현 추적 — Owner·Recursion Count·ISR 금지

2026년 5월 6일 · Hawk · 3분 읽기

#한 줄 요약

“Mutex는 Semaphore에 pxMutexHolder만 추가한 형태입니다.” owner를 추적할 수 있게 되면 priority inheritance까지 자연스럽게 구현됩니다.

#FreeRTOS Mutex 구조

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typedef Queue_t Mutex_t;   // 같은 자료구조 재활용
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// 추가 활용
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union {
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    /* Queue 일반 사용 */
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    struct {
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        TaskHandle_t xMutexHolder;     // ← Mutex 전용
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        UBaseType_t uxRecursiveCallCount;
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    } xSemaphore;
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    struct {
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        /* Queue 일반 fields */
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    } xQueue;
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} u;

Queue의 공용 영역을 mutex 모드에서는 owner와 recursion count로 재해석합니다.

#Take 흐름

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BaseType_t xQueueTakeMutexRecursive(QueueHandle_t mutex, TickType_t xTicksToWait) {
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    BaseType_t result;
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    portENTER_CRITICAL();
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    if (mutex->pxMutexHolder == pxCurrentTCB) {
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        /* Same task — recursive take */
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        mutex->u.xSemaphore.uxRecursiveCallCount++;
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        portEXIT_CRITICAL();
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        return pdPASS;
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    }
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    portEXIT_CRITICAL();
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    /* 다른 task 또는 처음 take */
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    result = xQueueGenericReceive(mutex, NULL, xTicksToWait, pdFALSE);
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    if (result == pdPASS) {
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        mutex->pxMutexHolder = pxCurrentTCB;
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        mutex->u.xSemaphore.uxRecursiveCallCount = 1;
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    }
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    return result;
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}

#Give 흐름 — Owner 검증

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BaseType_t xQueueGenericSend(QueueHandle_t mutex, ...) {
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    portENTER_CRITICAL();
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    /* Owner 확인 */
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    if (mutex->pxMutexHolder != NULL &&
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        mutex->pxMutexHolder != pxCurrentTCB) {
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        portEXIT_CRITICAL();
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        return pdFAIL;   // Non-owner는 give 못 함
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    }
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    /* Recursive count 감소 */
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    if (--mutex->u.xSemaphore.uxRecursiveCallCount > 0) {
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        portEXIT_CRITICAL();
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        return pdPASS;
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    }
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    /* Count = 0 — 실제 release */
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    mutex->pxMutexHolder = NULL;
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    /* Priority Inheritance 복원 */
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    vTaskPriorityDisinheritAfterTimeout(...);
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    /* Wake waiter */
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    if (!list_empty(&xTasksWaitingToReceive)) {
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        wake_highest_priority_waiter();
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    }
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    portEXIT_CRITICAL();
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    return pdPASS;
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}

#Priority Inheritance — Owner의 priority 동적 boost

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void vTaskPriorityInherit(TaskHandle_t pxMutexHolder) {
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    TCB_t *holder = (TCB_t *)pxMutexHolder;
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    if (holder->uxPriority < pxCurrentTCB->uxPriority) {
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        /* Boost — base priority 저장 후 변경 */
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        if (holder->uxBasePriority == 0)
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            holder->uxBasePriority = holder->uxPriority;
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        holder->uxPriority = pxCurrentTCB->uxPriority;
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        /* Ready list에서 위치 조정 */
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        rebalance_ready_list(holder);
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    }
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}

대기 task가 owner의 priority를 일시적으로 상속하도록 만듭니다. take 시점에 이 함수가 호출됩니다.

#Priority Disinheritance — 복원

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BaseType_t vTaskPriorityDisinherit(TaskHandle_t pxMutexHolder) {
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    TCB_t *holder = (TCB_t *)pxMutexHolder;
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    if (holder->uxBasePriority != holder->uxPriority) {
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        /* Restore original */
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        holder->uxPriority = holder->uxBasePriority;
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        holder->uxBasePriority = 0;
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        rebalance_ready_list(holder);
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        return pdTRUE;
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    }
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    return pdFALSE;
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}

Mutex를 give할 때 원래 priority로 복원합니다. mutex가 여러 개 얽힌 chain inheritance도 정확하게 처리합니다.

#Recursive Mutex

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SemaphoreHandle_t mtx = xSemaphoreCreateRecursiveMutex();
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xSemaphoreTakeRecursive(mtx, ...);   // count = 1
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xSemaphoreTakeRecursive(mtx, ...);   // count = 2 (same task)
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xSemaphoreGiveRecursive(mtx);        // count = 1
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xSemaphoreGiveRecursive(mtx);        // count = 0 → release

uxRecursiveCallCount로 재진입 횟수를 추적합니다. owner check와 count를 함께 검증하므로 안전합니다.

#ISR 금지 이유

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xSemaphoreTakeFromISR(mutex, ...);   // ✗ 컴파일 에러

ISR은 task가 아니므로 owner가 될 수 없습니다. pxMutexHolder가 의미를 잃어버리기 때문에 ISR에서 사용하면 logic이 깨지고 priority inheritance가 동작하지 않습니다.

#Deadlock — Lock Ordering

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// Task A
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xSemaphoreTake(mtx_X, ...);
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xSemaphoreTake(mtx_Y, ...);
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// Task B
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xSemaphoreTake(mtx_Y, ...);
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xSemaphoreTake(mtx_X, ...);

circular wait가 발생해 deadlock으로 이어집니다. 해결 방법은 글로벌 lock order를 강제하는 것입니다. 예를 들어 항상 X를 먼저 take하도록 규칙을 정합니다.

#Timeout 활용

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if (xSemaphoreTake(mtx, pdMS_TO_TICKS(100)) != pdTRUE) {
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    log_warning("mutex timeout — possible deadlock");
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    return ERROR;
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}

portMAX_DELAY 대신 유한한 timeout을 두면 deadlock을 감지하고 복구할 수 있습니다.

#Mutex Hold Time — 짧게

Mutex를 보유한 task의 priority는 boost된 상태에 머무릅니다. Hold time이 길어질수록 다른 task에 미치는 영향이 커지고 priority inheritance 효과도 오래 지속됩니다.

목표는 수 µs 이하로 유지하는 것입니다.

#Static Allocation

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StaticSemaphore_t mtx_buf;
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SemaphoreHandle_t mtx = xSemaphoreCreateMutexStatic(&mtx_buf);

자동차나 항공처럼 safety-critical 영역에서는 정적 할당이 표준입니다.

#Zephyr — k_mutex

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struct k_mutex {
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    _wait_q_t wait_q;
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    struct k_thread *owner;
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    uint32_t lock_count;
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    int owner_orig_prio;
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};

기본 구조는 비슷하고 priority inheritance가 내장되어 있습니다.

#자주 하는 실수

⚠️ Non-owner가 give를 호출합니다

pdFAIL이 반환되는데, 이를 무시하면 logic이 그대로 깨집니다. 항상 return 값을 확인합니다.

⚠️ Recursive mutex를 잘못 사용합니다

xSemaphoreTake와 xSemaphoreTakeRecursive를 섞어 쓰면 미정의 동작으로 이어집니다. 시작 시 한 종류로 정해 두는 편이 좋습니다.

⚠️ ISR에서 mutex를 사용합니다

ISR과 task 사이의 신호 전달에는 semaphore나 task notification을 사용합니다. Mutex는 ISR에서 사용하면 안 됩니다.

⚠️ Mutex를 잡은 채 long blocking을 합니다

다른 mutex take나 queue receive를 infinite timeout으로 호출하면 cascading wait가 발생하고 deadlock으로 이어지기 쉽습니다.

#정리

Mutex는 Queue에 pxMutexHolder와 uxRecursiveCallCount를 추가한 구조입니다.
Owner를 검증하여 non-owner가 give를 호출하는 경우를 차단합니다.
Priority inheritance는 take 시 priority를 boost하고 give 시 복원합니다.
Recursive variant는 count로 재진입을 추적합니다.
ISR에서는 사용할 수 없으며 semaphore나 task notification으로 대체합니다.

다음 편에서는 Priority Inversion 문제를 Mars Pathfinder 사례와 함께 자세히 살펴봅니다.

Mutex 내부 구현 추적 — Owner·Recursion Count·ISR 금지

#한 줄 요약

#FreeRTOS Mutex 구조

#Take 흐름

#Give 흐름 — Owner 검증

#Priority Inheritance — Owner의 priority 동적 boost

#Priority Disinheritance — 복원

#Recursive Mutex

#ISR 금지 이유

#Deadlock — Lock Ordering

#Timeout 활용

#Mutex Hold Time — 짧게

#Static Allocation

#Zephyr — k_mutex

#자주 하는 실수

#정리

#관련 항목

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