rt-thread的線程調度與管理

?1.調度是什么？
?2.調度怎么實現？
?3.什么時候系統(tǒng)做調度？

?3.1 任務主動block
?3.2 被更高優(yōu)先級的任務喚醒
?3.3 yield放棄cpu使用
?3.4 中斷中執(zhí)行調度

?4.調度做了哪些事情？
?5.總結

要想使用好rtos，做出更加穩(wěn)定可靠的產品，必須非常清楚底層的調度原理。由于RTOS的可控性，所以只有了解了其核心部分的設計思路，才能用起來得心應手，游刃有余。本文主要是聽完熊大對rt-thread調度講解之后，自己做了一些反思總結，打算分享一下rt-thread線程的調度與管理相關的比較核心和重要的部分的筆記。

1.調度是什么？

調度一般就是合理的安排，協調資源，統(tǒng)一指揮去完成一件事，而在操作系統(tǒng)中，線程調度就是有多個就緒優(yōu)先級的任務，找到最高優(yōu)先級任務，交給CPU去運行。

rt-thread調度器就是起到判決線程當前的優(yōu)先級，然后去執(zhí)行當前最高優(yōu)先級的就緒的線程。

調度又可以細分為兩種?？纱驍嗾{度：關鍵防止優(yōu)先級倒置；不可打斷調度：先來先服務，不可中斷。

2.調度怎么實現？

在創(chuàng)建任務的時候，指定了任務的優(yōu)先級，一般來說，每個任務都有自己特定的優(yōu)先級。所以內核線程對象中有不同的優(yōu)先級的任務列表。

如果最大指定為32個優(yōu)先級，那么可以用u32，每一個bit表示一個優(yōu)先級就緒的狀態(tài)。使用位圖的優(yōu)點就是速度快，而且內存占用小。

一般來說，調度去找到最高優(yōu)先級的任務時，就需要去做判斷。如何去找到最高優(yōu)先級的任務。一般來說，有兩種辦法：

軟件計算
硬件計算

這兩種的差別僅僅在于計算效率的問題，本質目的并無差別。

而尋找最高優(yōu)先級的事情也是有兩種實現的策略：

1.遍歷就緒的隊列，找到最小的就緒的隊列，尋找的時間不確定，時間復雜度O(n)。

2.采用空間換時間的辦法，事先做好一個bitmap

例如系統(tǒng)中最大有8個優(yōu)先級，那么bitmap如下：

const rt_uint8_t __lowest_bit_bitmap[] =
{
 /* 00 */ 0, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
 /* 10 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
 /* 20 */ 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
 /* 30 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
 /* 40 */ 6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
 /* 50 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
 /* 60 */ 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
 /* 70 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
 /* 80 */ 7, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
 /* 90 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
 /* A0 */ 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
 /* B0 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
 /* C0 */ 6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
 /* D0 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
 /* E0 */ 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
 /* F0 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0
};

一般每一位代表一個就緒的狀態(tài)，所以__rt_ffs程序的設計如下

int __rt_ffs(int value)
{ if (value == 0) return 0; if (value & 0xff) return __lowest_bit_bitmap[value & 0xff] + 1; if (value & 0xff00) return __lowest_bit_bitmap[(value & 0xff00) >> 8] + 9; if (value & 0xff0000) return __lowest_bit_bitmap[(value & 0xff0000) >> 16] + 17; return __lowest_bit_bitmap[(value & 0xff000000) >> 24] + 25;
}

如果當前系統(tǒng)的線程狀態(tài)為0b0110 0000，那么轉換成十六進制就是0x60，根據表中的狀態(tài)此時的最高優(yōu)先級是5+1=6。所以可以得出系統(tǒng)的優(yōu)先級，此時計算的復雜度為O(1)。

雖然rtt是支持同等優(yōu)先級的，但是在具體的業(yè)務邏輯的設計中，在使用RTOS常用的設計方法中，一般都是要求程序的運行邏輯是可預測的，就是在程序執(zhí)行的過程中，可以預測到程序下一步的動作。所以rtos中同等優(yōu)先級，按照時間片輪訓的這種方式設計業(yè)務邏輯的情況并不多。使用相同優(yōu)先級會增加系統(tǒng)的業(yè)務邏輯的復雜性。

3.什么時候系統(tǒng)做調度？

RTT是搶占式的系統(tǒng)調用，所以系統(tǒng)什么時候去做的調度非常的關鍵。系統(tǒng)調度分為主動調度和被動兩種。

3.1 任務主動block

當A線程在正常運行時，主動放棄CPU的使用權，比如去執(zhí)行rt_thread_delay或者去等待一個IPC的事件到來時，都會釋放CPU進行調度，此時去系統(tǒng)中尋找已經就緒的最高優(yōu)先級的線程進行調度。

這種方式應用的場景比較豐富，比如當前線程沒有獲取到資源時，需讓出CPU的使用權，或者事情做完了，主動讓出CPU的使用權，這就是系統(tǒng)做調度的時機。

A線程的優(yōu)先級要高于B線程的優(yōu)先級，所以在A放棄CPU使用權后，已經就緒的最高優(yōu)先級線程B就開始執(zhí)行了。

3.2 被更高優(yōu)先級的任務喚醒

這種方式就是當比當前運行線程的優(yōu)先級高的線程處于就緒態(tài)時，會調度到比當前線程更高的優(yōu)先級線程中去。

按照理解A線程是正在運行的線程，此時更高任務優(yōu)先級的線程C就緒處于就緒狀態(tài)了，所以系統(tǒng)的tick函數中判斷已經有比線程A更高優(yōu)先級的線程處于就緒狀態(tài)，于是執(zhí)行了rt_schedule()函數執(zhí)行了系統(tǒng)調度。當前A線程運行狀態(tài)壓棧，更高優(yōu)先級的C線程的狀態(tài)出棧，開始運行C線程。

3.3 yield放棄cpu使用

首先理解一下什么是yield，解釋成讓出，放棄比較合理。該出讓只針對于同等優(yōu)先級的線程。

這種情況只適用于A線程的優(yōu)先級等于B線程的優(yōu)先級的情況。因為RTT支持同等優(yōu)先級的方式創(chuàng)建線程，相同的優(yōu)先級的切換是靠時間片輪詢來進行的。所以，當A線程正常運行的時候，如果執(zhí)行了yield函數，那么只相當于將A線程的時間片消耗完，此時同等優(yōu)先級的D線程開始運行。

由于在RTOS中，需要的是完成任務的確定性與可靠性，同等優(yōu)先級的情況比較有限，所以這一塊應用的不多。

3.4 中斷中執(zhí)行調度

以上的三種屬于主動進行調度的過程，其系統(tǒng)的執(zhí)行流程都是可以預測的，但是中斷去執(zhí)行調度卻是比較特殊。是被動調度。

這種方式是在中斷中執(zhí)行調度的，當A線程正常運行時，此時來了一個中斷，由于中斷的優(yōu)先級是高于線程的。所以，中斷處理事情，如果在中斷中執(zhí)行了調度函數，那么在中斷退出后，將直接切換到當前系統(tǒng)中更高優(yōu)先級的線程去運行。如果如果當前系統(tǒng)的最高優(yōu)先級還是A，那么中斷退出后，執(zhí)行的最高優(yōu)先級線程依然是A。若存在線程E線程優(yōu)先級高于A并且處于就緒狀態(tài)，此時，中斷退出后，切換到E線程去執(zhí)行。