RTX 线程通信之——内存池

Posted 2021-06-22 Albert Nie

文章目录

• • Memory Pool
  • • 为什么需要内存池？
    • 什么是内存池？
    • RTX内存池API
  • 案例： 按键控制LED灯
  • • 定义相关
    • 创建相关
    • 执行相关
    • 实验效果
  • 小结
  • 参考资料

Memory Pool

内存池 (Memory Pool) 同消息队列一样，可以通过它实现线程间的数据传输。

为什么需要内存池？

有人说，有了消息队列，咱还要设计一个内存池干嘛，吃饱了没事干啊~，别说，还真不是！

确实，我们可以设计消息队列(Message Queue)来进行线程间的大量数据传输，从而实现线程间通信(Inter-Thread-Communication)。但别忘了，消息队列存在以下缺点：

• 开销大。每次通信都需要在消息队列中频繁移动数据，即FIFO式的移动
• 消息队列只能传输整型或指针类型的数据，灵活性不高

针对上述问题，一种解决方案是创建一块静态内存池 （也就是共享内存池），用来存放传输的数据，然后将该内存池的地址通过消息队列传输，从而实现“零移动”的数据传输。换句话说，数据本身没有移动，移动的是数据对象的地址。内存池的优点如下：

• 开销小。不需要移动数据本身，只需要移动数据对象地址，便可实现线程通信。
• 内存池可以存放复杂类型的对象，灵活度较高

综上，内存池很好地弥补了消息队列的不足。当然，要实现数据通信，一般还得【内存池+消息队列】。为什么是一般呢？
有什么场合是只能用消息队列的吗？别说，还真有，使用内存池的一大前提是两个线程之间有共享内存，换句话说就是有相同的地址空间。如果没有怎么办？比如临界区，一次只能允许一个线程访问，这个时候内存池不能用了，而消息队列就可以派上用场了~

什么是内存池？

啥是内存池？咱先来看看官方对内存池的介绍：

Memory Pools are fixed-size blocks of memory that are thread-safe. They operate much faster than the dynamically allocated heap and do not suffer from fragmentation. Being thread-safe, they can be accessed from threads and ISRs alike. A Memory Pool can be seen as a linked list of available (unused) memory blocks of fixed and equal size. Allocating memory from a pool (using osMemoryPoolAlloc) simply unchains a block from the list and hands over control to the user. Freeing memory to the pool (using osMemoryPoolFree) simply rechains the block into the list.

抓重点，内存池有以下特点：

• 内存池由一系列固定大小的未使用的内存块(memory blocks)组成，可以看成一个动态链表，结点就是内存块。之所以是动态的，是因为在分配和释放的过程中该链表的长度会动态变化。
• 内存池是线程安全的，其操作速度也比通常的动态内存分配（堆区分配）更快，也不会造成内存碎片。说它是线程安全的，指的是其可以正常被多个线程或ISR访问，而不会出现错误行为。

共享内存是线程之间数据通信的一种基本模型，而内存池正是采用了这一思想，即获得地址即可访问数据！

RTX内存池API

要使用内存池，得先知道RTX为用户提供的相关定义和函数接口，下面作简要介绍~

类型

• osMemoryPoolAttr_t : 内存池属性结构体
• osMemoryPoolId_t : 内存池句柄

函数

• osMemoryPoolNew

osMemoryPoolId_t  osMemoryPoolNew(uint32_t block_count, uint32_t block_size,const osMemoryPoolAttr_t* attr)
// 输入
* block_count : 内存池中内存块的最大个数
* block_size : 每个内存块的字节数
* attr : 内存池属性，默认为NULL
// 输出
* 内存池ID
// 注意
* 不能在ISR中调用该函数

• osMemoryPoolGetName

const char* osMemoryPoolGetName(osMemoryPoolId_t mp_id)
// 输入
* mp_id : 内存池ID
// 输出
* 内存池名字

osMemoryPoolAlloc

void* osMemoryPoolAlloc(osMemoryPoolId_t mp_id,uint32_t timeout)
// 输入
* mp_id： 内存池ID
* timeout: 超时设置
// 输出
* 分配的内存块地址或者NULL

osMemoryPoolFree

osStatus_t osMemoryPoolFree(osMemoryPoolId_t mp_id,void* block)
// 输入
* mp_id : 内存池ID
* block : 待释放的内存块地址c
// 输出
* 函数执行后的状态码： osOK、osErrorParameter、osErrorResource

osMemoryPoolGetCapacity

uint32_t osMemoryPoolGetCapacity(osMemoryPoolId_t mp_id)
// 输入
* mp_id : 内存池ID
// 输出
* 内存池允许的最大内存块数量

osMemoryPoolGetBlockSize

uint32_t osMemoryPoolGetBlockSize(osMemoryPoolId_t mp_id)
// 输入
* mp_id : 内存池ID
// 输出
* 内存块的大小

osMemoryPoolGetCount

uint32_t osMemoryPoolGetCount(osMemoryPoolId_t mp_id)
// 输入
* mp_id : 内存池ID
// 输出
* 内存池中已经被使用的内存块个数

osMemoryPoolGetSpace

uint32_t osMemoryPoolGetSpace(osMemoryPoolId_t mp_id)
// 输入
* mp_id : 内存池ID
// 输出
* 内存池中可用的内存块个数

osMemoryPoolDelete

osStatus_t osMemoryPoolDelete(osMemoryPoolId_t mp_id)
// 输入
* mp_id ：内存池ID
// 输出
* 函数执行后的状态码 
// 注意
* 不能在ISR中调用该函数

案例： 按键控制LED灯

案例是最好的学习方式，这里笔者介绍一个玩具案例，具体步骤如下。

功能：实现两个线程，一个线程用来不断读取按键的状态，并将按键的状态封装到一个结构体中，然后通过内存池和消息队列将该数据发送给另一个线程；另一个线程负责接收该数据，并根据该数据来点亮对应的LED灯。

* KEY1 键按下后松开， 红灯闪烁。
* KEY2 键按下后松开， 绿灯闪烁。

定义相关

根据功能，我们需要定义两个线程，相应地有两个线程函数；还有一个内存池，包括相应的内存块数据结构体；最后还需要定义一个消息队列。这里需要说明一下通常我们是将内存池和消息队列结合起来使用。内存池负责保存复杂对象本身，然后通过将该对象的地址传入消息队列，实现线程间通信。

// 定义两个线程
osThreadId_t led;   // LED灯
osThreadId_t key;   // 按键
void thread_led(void* arg);   // LED灯线程函数
void thread_key(void* arg);   // 按键线程函数

osMemoryPoolId_t mp_id;    // 内存池
typedef struct {           // 内存块数据结构体
	 uint8_t red;
	 uint8_t green;
}memory_block_t;

osMessageQueueId_t mq_id;  // 消息队列

创建相关

我们在主线程app_main的线程函数中创建我们的线程，内存池，和消息队列，并执行一些按键和GPIO的初始化函数。

void app_main (void *arg) {
	// 外设初始化
    LED_GPIO_Config();
	Key_GPIO_Config();
	
	// 内存池 + 消息队列
	mp_id = osMemoryPoolNew(16,sizeof(memory_block_t),NULL);      // 内存池负责保存对象
	mq_id = osMessageQueueNew(16,sizeof(memory_block_t*),NULL);   // 消息队列负责传递对象的地址
	
	// 两个线程
	key = osThreadNew(thread_key,NULL,NULL);
    led = osThreadNew(thread_led,NULL,NULL);
	
	osThreadExit();  // 任务完成，退出
}

执行相关

我们的执行函数，当然是两个线程函数了。首先我们来看管理按键的线程函数。

void thread_key(void* arg)
{
	memory_block_t*  mb_led;   // 内存块指针
	while(1){
		// 请求一个内存块
		mb_led = (memory_block_t*)osMemoryPoolAlloc(mp_id,osWaitForever);
		
		// 扫描按键，按键按下返回 1 ,否则0
		if( Key_Scan(GPIOA,GPIO_Pin_0) == KEY_ON)
			mb_led->red = 0;    // 红灯亮
		else
			mb_led->red = 1;    // 红灯灭 
		if(Key_Scan(GPIOC,GPIO_Pin_13) == KEY_ON)
			mb_led->green = 0;  // 绿灯亮
		else
			mb_led->green = 1;  // 绿灯灭
	
		// 将数据传入消息队列
		osMessageQueuePut(mq_id,&mb_led,NULL,osWaitForever);
		osDelay(100);
	}
}

然后，再来看管理LED灯的线程函数。

void thread_led(void* arg)
{
	memory_block_t* mb_led;  // 内存块指针
	while(1){
		osMessageQueueGet(mq_id,&mb_led,NULL,osWaitForever);
		LED1(mb_led->red);
		LED2(mb_led->green);
		// 完成一次传输，释放该内存块
		osMemoryPoolFree(mp_id,mb_led);
	}
}

具体的GPIO，按键配置啥的，就不讲了，那不是本文的范畴，你们没问题的~

实验效果

由于按下按键，松开后LED灯才会亮，所以为了抓拍这个实验现象，我拍了几十张，才成功~

KEY1键按下：

KEY2键按下：

小结

要实现线程之间的数据传输，非内存池+消息队列莫属了，话说这两个结合在一起是真的好用。任何复杂数据结构都可以封装成结构体，并将其保存在内存池中。需要传输该复杂对象吗？完全不需要！咱不传递该对象本身，我们通过消息队列来传递该对象的地址，有了地址就有了数据本身。传输一个地址，相对传输对象本身，开销还是挺小的。

当然了，本文只是简单介绍了内存池+消息队列的使用，并实现了一个玩具案例。更多的细节啊啥的，需要参考官方资料，以及实际的项目需求，希望对大家有所帮助，任何疑问，欢迎留言，谢谢~

参考资料

☞官方资料