[RTT] RT-Thread线程调度机制线程切换时机

Posted 2021-09-14 BRRRRRRRRR_

1. 问题

最初接触RTT时，对于线程切换时机的相关概念主要来自以下几个方面：

1. RTT在创建线程时，需要输入线程的时间片参数，时间片的单位为OS Tick。
2. 线程休眠函数rt_thread_delay()、设置软件定时器、以及一些如信号量、邮箱等可以设置timeout的线程间通讯和同步方式，设置的时间参数都是以OS Tick为最小单位。
3. RTT文档也写出：操作系统中最小的时间单位是时钟节拍 (OS Tick)。
   

由此，我便将其理解为：OS Tick也是系统调度的最小单位，每一个OS Tick，操作系统就会执行一次调度器，判断各线程状态和优先级，从而执行线程调度。

但如果该说法成立，似乎又解释不通以下几个问题（以下假设tick为1ms时）：

1. 线程1在执行200us后就将自己挂起，如果到下一个tick才会运行调度器、运行线程2，明显是对CPU资源的极大浪费，同时期间的800ms时间是被谁占用？切换到空闲线程也是需要调度器来执行的。
   

2. . 如果软件定时器设置为1ms，软件定时器优先级以下的线程都无法执行？

2. 验证

针对线程调度和OS Tick的理解与以上几个问题的冲突，决定先通过代码测试下我的想法是否正确。

测试代码：

static int thread_run_count = 0;
static int start_tick = 0;
static struct rt_completion tick_test_sema1;
static struct rt_completion tick_test_sema2;

void tick_test_thread1(void* arg)
{
    if(thread_run_count == 0)
    {
        start_tick = rt_tick_get();//记录启动时间
    }
    while(1)
    {
        rt_completion_done(&tick_test_sema1);//释放sema1
        rt_completion_wait(&tick_test_sema2, RT_WAITING_FOREVER);//等待sema2

        if(thread_run_count == 100000)//两个线程切换了10000次
        {
            rt_kprintf("-----tick count: %d------\\n", rt_tick_get() - start_tick);//输出测试耗时
            return;
        }
        thread_run_count++;

    }
}


//测试线程2，信号量1、2互换，其余相同
void tick_test_thread2(void* arg)
{
    if(thread_run_count == 0)
    {
        start_tick = rt_tick_get();
    }
    while(1)
    {
        rt_completion_done(&tick_test_sema2);
        rt_completion_wait(&tick_test_sema1, RT_WAITING_FOREVER);

        if(thread_run_count == 100000)
        {
            rt_kprintf("-----tick count: %d------\\n", rt_tick_get() - start_tick);
            return;
        }
        thread_run_count++;

    }
}


void tick_test(void)
{
    rt_completion_init(&tick_test_sema1);
    rt_completion_init(&tick_test_sema2);

    rt_thread_t test_thread = rt_thread_create("test1",tick_test_thread1, NULL,
                                                1024, 15, 20);
    if (test_thread != RT_NULL)
    {
        rt_thread_startup(test_thread);
    }


    test_thread = rt_thread_create("test2",tick_test_thread2, NULL,
                                    1024, 15, 20);
    if (test_thread != RT_NULL)
    {
        rt_thread_startup(test_thread);
    }
}

两个相同优先级的线程，线程1释放信号量1，之后挂起等待信号量2，线程2释放信号量2，之后挂起等待信号量1。
两个线程交替执行共100000次，输出执行耗时。

如果之前的想法成立，系统仅在每个tick时，才会执行调度器，那10W次的线程切换应至少消耗10W个tick，10W ms，而实际测试耗时为258个tick，258ms。

之后将OS Tick，由1ms改为10ms：

/* Tick per Second */
#define RT_TICK_PER_SECOND	100 

相同测试内容，耗时为27个tick，270ms。

很明显，两个线程频繁切换的耗时几乎是固定的，与OS Tick无关，那么之前的想法：OS Tick是系统调度的最小单位很明显就是错误的。

3. 代码分析

1. 每个OS Tick中断，会执行一次调度器，这个是之前就分析到的。

void rt_tick_increase(void)
{
    struct rt_thread *thread;

    /* increase the global tick */
#ifdef RT_USING_SMP
    rt_cpu_self()->tick ++;
#else
    ++ rt_tick;
#endif

    /* check time slice */
    thread = rt_thread_self();

    -- thread->remaining_tick;
    if (thread->remaining_tick == 0)
    {
        /* change to initialized tick */
        thread->remaining_tick = thread->init_tick;

        thread->stat |= RT_THREAD_STAT_YIELD;

        /* yield */
        rt_thread_yield();//------里面执行调度器
    }

    /* check timer */
    rt_timer_check();
}

rt_err_t rt_thread_yield(void)
{
    rt_schedule();//-----这个是调度器

    return RT_EOK;
}

2. rt_thread_delay()实际调用的是函数rt_thread_sleep()，进入该函数后查看，在对线程挂起、超时定时器进行设置并运行后，执行了一次调度器：

rt_err_t rt_thread_sleep(rt_tick_t tick)
{
    register rt_base_t temp;
    struct rt_thread *thread;

    /* set to current thread */
    thread = rt_thread_self();
    RT_ASSERT(thread != RT_NULL);
    RT_ASSERT(rt_object_get_type((rt_object_t)thread) == RT_Object_Class_Thread);

    /* disable interrupt */
    temp = rt_hw_interrupt_disable();

    /* suspend thread */
    rt_thread_suspend(thread);

    /* reset the timeout of thread timer and start it */
    rt_timer_control(&(thread->thread_timer), RT_TIMER_CTRL_SET_TIME, &tick);
    rt_timer_start(&(thread->thread_timer));

    /* enable interrupt */
    rt_hw_interrupt_enable(temp);

    rt_schedule();//-------一样执行了调度器，在这

    /* clear error number of this thread to RT_EOK */
    if (thread->error == -RT_ETIMEOUT)
        thread->error = RT_EOK;

    return RT_EOK;
}

因此所有通过delay函数挂起的线程，在挂起后都会立刻执行一次调度器，进行线程切换，无需等到下个OS Tick到来。

3. 其他会将该线程挂起的操作：等待信号量、互斥锁，从邮箱、消息队列中阻塞接收数据时也基本相同：将当前线程挂起后执行调度器。以信号量为例：

rt_err_t rt_sem_take(rt_sem_t sem, rt_int32_t time)
{
    register rt_base_t temp;
    struct rt_thread *thread;

    /* parameter check */
    RT_ASSERT(sem != RT_NULL);
    RT_ASSERT(rt_object_get_type(&sem->parent.parent) == RT_Object_Class_Semaphore);

    RT_OBJECT_HOOK_CALL(rt_object_trytake_hook, (&(sem->parent.parent)));

    /* disable interrupt */
    temp = rt_hw_interrupt_disable();

    RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_IPC, ("thread %s take sem:%s, which value is: %d\\n",
                                rt_thread_self()->name,
                                ((struct rt_object *)sem)->name,
                                sem->value));

    if (sem->value > 0)
    {
        /* semaphore is available */
        sem->value --;

        /* enable interrupt */
        rt_hw_interrupt_enable(temp);
    }
    else
    {
        /* no waiting, return with timeout */
        if (time == 0)
        {
            rt_hw_interrupt_enable(temp);

            return -RT_ETIMEOUT;
        }
        else
        {
            /* current context checking */
            RT_DEBUG_IN_THREAD_CONTEXT;

            /* semaphore is unavailable, push to suspend list */
            /* get current thread */
            thread = rt_thread_self();

            /* reset thread error number */
            thread->error = RT_EOK;

            RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_IPC, ("sem take: suspend thread - %s\\n",
                                        thread->name));

            /* suspend thread */
            rt_ipc_list_suspend(&(sem->parent.suspend_thread),
                                thread,
                                sem->parent.parent.flag);

            /* has waiting time, start thread timer */
            if (time > 0)
            {
                RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_IPC, ("set thread:%s to timer list\\n",
                                            thread->name));

                /* reset the timeout of thread timer and start it */
                rt_timer_control(&(thread->thread_timer),
                                 RT_TIMER_CTRL_SET_TIME,
                                 &time);
                rt_timer_start(&(thread->thread_timer));
            }

            /* enable interrupt */
            rt_hw_interrupt_enable(temp);

            /* do schedule */
            rt_schedule();//------- timeout内没有获取到信号里昂，线程被挂起，之后执行调度器执行其他线程

            if (thread->error != RT_EOK)
            {
                return thread->error;
            }
        }
    }

    RT_OBJECT_HOOK_CALL(rt_object_take_hook, (&(sem->parent.parent)));

    return RT_EOK;
}

4. 同时，可能会将其他线程唤醒的操作：通过邮箱发送数据、释放信号量、释放互斥锁等，也会执行一次调度器，以确保此时若有更高优先级的线程因等待该资源而挂起时，可以挂起当前线程来执行高优先级线程。

rt_err_t rt_sem_release(rt_sem_t sem)
{
    register rt_base_t temp;
    register rt_bool_t need_schedule;

    /* parameter check */
    RT_ASSERT(sem != RT_NULL);
    RT_ASSERT(rt_object_get_type(&sem->parent.parent) == RT_Object_Class_Semaphore);

    RT_OBJECT_HOOK_CALL(rt_object_put_hook, (&(sem->parent.parent)));

    need_schedule = RT_FALSE;

    /* disable interrupt */
    temp = rt_hw_interrupt_disable();

    RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_IPC, ("thread %s releases sem:%s, which value is: %d\\n",
                                rt_thread_self()->name,
                                ((struct rt_object *)sem)->name,
                                sem->value));

    if (!rt_list_isempty(&sem->parent.suspend_thread))
    {
        /* resume the suspended thread */
        rt_ipc_list_resume(&(sem->parent.suspend_thread));
        need_schedule = RT_TRUE;
    }
    else
        sem->value ++; /* increase value */

    /* enable interrupt */
    rt_hw_interrupt_enable(temp);

    /* resume a thread, re-schedule */
    if (need_schedule == RT_TRUE)
        rt_schedule();//--------信号量释放完以后判断需要调度，在这执行调度器

    return RT_EOK;
}

3. 总结

1. RTT文档中：操作系统中最小的时间单位是时钟节拍 (OS Tick)的说法并无错误，因为我们可以执行的以时间为衡量的操作，都是以OS Tick为最小单位的。同时如果没有线程主动挂起的情况，仅以时间片为依照来调度，也是以OS Tick为最小单位的。
2. 但如果存在线程主动挂起的情况，挂起时间无法确定，此时仅以OS Tick为单位调度，会造成CPU资源的极大浪费，同时降低系统的实时性。因此RTT在所有可以挂起线程的操作后，都添加了主动执行一次调度器的操作，直接执行当前已就绪的最高优先级的线程。
3. OS Tick是系统调度的最小单位的理解更正为：系统调度会发生在OS Tick中断和当前线程主动挂起以及高优先级线程获取到资源时。

PS：RTT的内核封装的较好，代码易读性高，之前也经常翻内核代码发现并不复杂，也比较易懂。如果大家在开发过程中有对RTT内核机制、逻辑的疑惑，建议先自己动手翻下底层代码，或许可以更快的解决问题。