RT-Thread线程的基本知识

Posted 2020-11-13 zhengnian

什么是线程？

人们在生活中处理复杂问题时，惯用的方法就是分而治之，即把一个大问题分解成多个相对简单、比较容易解决的小问题，小问题逐个被解决了，大问题也就随之解决了。同样，在设计一个较为复杂的应用程序时，也通常把一个大型任务分解成多个小任务，然后通过运行这些小任务，最终达到完成大任务的目的。

在裸机系统中， 系统的主体就是 main 函数里面顺序执行的无限循环，这个无限循环里面 CPU 按照顺序完成各种事情。在多线程系统中，我们根据功能的不同，把整个系统分割成一个个独立的且无法返回的函数，这个函数我们称为线程。

线程由哪些部分组成？

RT-Thread 中的线程由三部分组成：线程代码（函数）、线程控制块、线程堆栈。

线程栈

在一个裸机系统中， 如果有全局变量，有子函数调用，有中断发生。那么系统在运行的时候，全局变量放在哪里，子函数调用时，局部变量放在哪里， 中断发生时，函数返回地址发哪里。

如果只是单纯的裸机编程，它们放哪里我们不用管，但是如果要写一个 RTOS，这些种种环境参数，我们必须弄清楚他们是如何存储的。

在裸机系统中，他们统统放在一个叫栈的地方，栈是单片机 RAM 里面一段连续的内存空间，栈的大小一般在启动文件或者链接脚本里面指定， 最后由 C 库函数_main 进行初始化。

但是， 在多线程系统中，每个线程都是独立的，互不干扰的，所以要为每个线程都分配独立的栈空间，这个栈空间通常是一个预先定义好的全局数组， 也可以是动态分配的一段内存空间，但它们都存在于 RAM 中。 如：

static rt_uint8_t led_stack[512];

线程栈其实就是一个预先定义好的全局数据，数据类型为rt_uint8_t，大小我们设置为 512。 在 RT-Thread 中，凡是涉及到数据类型的地方， RTThread 都会将标准的 C 数据类型用 typedef 重新取一个类型名， 以“rt”前缀开头。这些经过重定义的数据类型放在 rtdef.h ，如：

线程控制块

在 RT-Thread 中，线程控制块由结构体 struct rt_thread 表示，线程控制块是操作系统用于管理线程的一个数据结构，它会存放线程的一些信息，例如优先级、线程名称、线程状态等，也包含线程与线程之间连接用的链表结构，线程等待事件集合等，详细定义如下（在rtdef.h中定义）：

为led线程定义一个线程控制块：

static struct rt_thread led_thread; 

线程函数

线程控制块中的 entry 是线程的入口函数，它是线程实现预期功能的函数。线程的入口函数由用户设
计实现，一般有以下两种代码形式：

无限循环模式：

在实时系统中，线程通常是被动式的：这个是由实时系统的特性所决定的，实时系统通常总是等待外界事件的发生，而后进行相应的服务：

顺序执行或有限次循环模式：

如简单的顺序语句、 do whlie() 或 for() 循环等，此类线程不会循环或不会永久循环，可谓是 “一次性”线程，一定会被执行完毕。在执行完毕后，线程将被系统自动删除。

动态线程与静态线程

我们的用户线程有两种创建方式，一种是静态线程，另一种是动态线程。

创建静态线程的函数：

返回值为错误代码。

创建动态线程的函数：

返回值为线程控制块 。

线程创建实例

创建一个静态线程

1、确定线程栈

2、定义线程控制块

3、创建线程函数。

#include <rtthread.h>
#include <rtdevice.h>
#include <board.h>

/* 静态线程相关宏定义 */
#define THREAD_PRIORITY          25                     /* 优先级       */
#define STACK_SIZE               512                    /* 栈大小       */
#define TIMESLICE                5                      /* 时间片       */

/* 线程三要素 */
static rt_uint8_t static_thread_stack[STACK_SIZE];      /* 线程栈       */
static struct rt_thread static_thread;                  /* 线程控制块   */
static void static_thread_entry(void* parameter);       /* 线程入口函数 */

/* 静态线程入口函数 */ 
static void static_thread_entry(void* parameter)
{
    rt_uint32_t i = 0;
    rt_kprintf("This is static thread!
");
    /* 无限循环*/
    while (1)
    {
        rt_kprintf("static thread count:%d 
", ++i);
        /* 等待0.5s，让出cpu权限，切换到其他线程 */
        rt_thread_delay(500);
    }
}

/* 主函数 */
int main(void)
{
    rt_err_t result;  
    
    /* 创建静态线程 ： 优先级 25 ，时间片 5个系统滴答，线程栈512字节 */
    result = rt_thread_init(&static_thread,
                            "static_thread",
                            static_thread_entry, 
                            RT_NULL,
                            (rt_uint8_t*)&static_thread_stack[0], 
                            STACK_SIZE, 
                            THREAD_PRIORITY, 
                            TIMESLICE);
    
    /* 创建成功则启动静态线程 */
    if (result == RT_EOK)
    {
        rt_thread_startup(&static_thread);
    }
}

运行结果为：

可见，在T-Thread中创建一个线程需要线程栈、线程控制块与线程函数这三要素。除此之外，需要设置一个线程优先级，因为RT-Thread的调度器是基于优先级的抢占式调度算法。还需要设置一个时间片参数，这个用于多个线程具有同等优先级的情况下，采用时间片的轮转调度算法进行调度，这个值与时间节拍有关，每一秒的节拍数可在rtconfig.h里进行设置：

在这里我们只创建一个线程，所以时间片我们没有用到，但也需要传递一个时间片的值给rt_thread_init函数。最后，在主函数里调用相关接口创建一个静态线程，创建成功则启动该线程。

创建一个动态线程

创建动态线程与创建静态线程类似：

#include <rtthread.h>
#include <rtdevice.h>
#include <board.h>

/* 动态线程相关宏定义 */
#define THREAD_PRIORITY         25                      /* 优先级       */
#define STACK_SIZE              512                     /* 栈大小       */
#define TIMESLICE               5                       /* 时间片       */

/* 线程三要素 */
static rt_uint8_t dynamic_thread_stack[STACK_SIZE];     /* 线程栈       */
static struct rt_thread dynamic_thread;                 /* 线程控制块   */
static void dynamic_thread_entry(void* parameter);      /* 线程入口函数 */

/* 动态线程入口函数 */
static void dynamic_thread_entry(void* parameter)
{
    rt_uint32_t i;
    /* 无限循环*/
    while (1)
    {
        for (i = 0; i < 5; i++)
        {
            rt_kprintf("dynamic thread count:%d 
", i);
            /* 等待1s，让出cpu权限，切换到其他线程 */
            rt_thread_delay(500);
        }
    }
}

/* 主函数 */
int main(void)
{
    rt_thread_t tid;  // 动态线程句柄
    
    /* 创建动态线程 ： 优先级 25 ，时间片 5个系统滴答，线程栈512字节 */
    tid = rt_thread_create("dynamic_thread",
                            dynamic_thread_entry,
                            RT_NULL,
                            STACK_SIZE,
                            THREAD_PRIORITY,
                            TIMESLICE);
    /* 创建成功则启动动态线程 */
    if (tid != RT_NULL)
    {
        rt_thread_startup(tid);
    } 
}

运行结果：

静态线程VS动态线程

上例中，从运行结果上看，是没有任何差别的！那么，我们在实际中如何抉择？

使用静态线程时，必须先定义静态的线程控制块，并且定义好栈空间，然后调用rt_thread_init()函数来完成线程的初始化工作。采用这种方式，线程控制块和堆栈占用的内存会放在 RW/ZI 段，这段空间在编译时就已经确定，它不是可以动态分配的，所以不能被释放，而只能使用 rt_thread_detach()函数将该线程控制块从对象管理器中脱离。
使用动态定义方式 rt_thread_create()时， RT-Thread 会动态申请线程控制块和堆栈空间。在编译时，编译器是不会感知到这段空间的，只有在程序运行时， RT-Thread 才会从系统堆中申请分配这段内存空间，当不需要使用该线程时，调用 rt_thread_delete()函数就会将这段申请的内存空间重新释放到内存堆中。

这两种方式各有利弊，静态定义方式会占用 RW/ZI 空间，但是不需要动态分配内存，运行时效率较高，实时性较好。动态方式不会占用额外的 RW/ZI 空间，占用空间小，但是运行时需要动态分配内存，效率没有静态方式高。

总的来说，这两种方式就是空间和时间效率的平衡，可以根据实际环境需求选择采用具体的分配方式。就像C编程中，何时使用动态空间，何时使用静态空间，也需要根据实际情况平衡选择。

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