從0到1教你寫RT-Thread之線程的定義

《《《《《正文》》》》》

《前言》

????本章是我們真正從從 0 到 1 寫 RT-Thread 的第一章，屬于基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，必須要學(xué)會(huì)創(chuàng)建線程，并重點(diǎn)掌握線程是如何切換的。因?yàn)榫€程的切換是由匯編代碼來完成的，所以代碼看起來比較難懂，但是我會(huì)盡力把代碼講得透徹。如果本章內(nèi)容學(xué)不會(huì)，后面的內(nèi)容根本無從下手。

????在這章中，我們會(huì)創(chuàng)建兩個(gè)線程，并讓這兩個(gè)線程不斷地切換，線程的主體都是讓一個(gè)變量按照一定的頻率翻轉(zhuǎn)，通過 KEIL 的軟件仿真功能，在邏輯分析儀中觀察變量的波形變化，最終的波形圖具體見圖 6-1。

其實(shí)，圖 6-1 的波形圖的效果，并不是真正的多線程系統(tǒng)中線程切換的效果圖，這個(gè)效果其實(shí)可以完全由裸機(jī)代碼來實(shí)現(xiàn)，具體見代碼清單 6-1。

????在多線程系統(tǒng)中，兩個(gè)線程不斷切換的效果圖應(yīng)該像圖 6-2 所示那樣，即兩個(gè)變量的波形是完全一樣的，就好像 CPU 在同時(shí)干兩件事一樣，這才是多線程的意義。雖然兩者的波形圖一樣，但是，代碼的實(shí)現(xiàn)方式是完全不一樣的，由原來的順序執(zhí)行變成了線程的主動(dòng)切換，這是根本區(qū)別。這章只是開始，我們先掌握好線程是如何切換，在后面章節(jié)中，我們會(huì)陸續(xù)的完善功能代碼，加入系統(tǒng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)真正的多線程。千里之行，始于本章節(jié)，不要急。

《什么是線程》

在裸機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的主體就是 main 函數(shù)里面順序執(zhí)行的無限循環(huán)，這個(gè)無限循環(huán)里面 CPU 按照順序完成各種事情。在多線程系統(tǒng)中，我們根據(jù)功能的不同，把整個(gè)系統(tǒng)分割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的且無法返回的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)我們稱為線程。線程的大概形式具體見代碼清單 6-2。

《創(chuàng)建線程》

1、定義線程棧

我們先回想下，在一個(gè)裸機(jī)系統(tǒng)中，如果有全局變量，有子函數(shù)調(diào)用，有中斷發(fā)生。那么系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候，全局變量放在哪里，子函數(shù)調(diào)用時(shí)，局部變量放在哪里，中斷發(fā)生時(shí)，函數(shù)返回地址發(fā)哪里。如果只是單純的裸機(jī)編程，它們放哪里我們不用管，但是如果要寫一個(gè) RTOS，這些種種環(huán)境參數(shù)，我們必須弄清楚他們是如何存儲(chǔ)的。在裸機(jī)系統(tǒng)中，他們統(tǒng)統(tǒng)放在一個(gè)叫棧的地方，棧是單片機(jī) RAM 里面一段連續(xù)的內(nèi)存空間，棧的大小一般在啟動(dòng)文件或者鏈接腳本里面指定，最后由 C 庫函數(shù)_main 進(jìn)行初始化。

但是，在多線程系統(tǒng)中，每個(gè)線程都是獨(dú)立的，互不干擾的，所以要為每個(gè)線程都分配獨(dú)立的?？臻g，這個(gè)?？臻g通常是一個(gè)預(yù)先定義好的全局?jǐn)?shù)組，也可以是動(dòng)態(tài)分配的一段內(nèi)存空間，但它們都存在于 RAM 中。

本章我們要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)變量按照一定的頻率輪流的翻轉(zhuǎn)，每個(gè)變量對(duì)應(yīng)一個(gè)線程，那么就需要定義兩個(gè)線程棧，具體見代碼清單 6-3。在多線程系統(tǒng)中，有多少個(gè)線程就需要定義多少個(gè)線程棧。

代碼清單 6-3 (1)：線程棧其實(shí)就是一個(gè)預(yù)先定義好的全局?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為rt_uint8_t，大小我們?cè)O(shè)置為 512。在 RT-Thread 中，凡是涉及到數(shù)據(jù)類型的地方，RT-Thread 都會(huì)將標(biāo)準(zhǔn)的 C 數(shù)據(jù)類型用 typedef 重新取一個(gè)類型名，以“rt”前綴開頭。這些經(jīng)過重定義的數(shù)據(jù)類型放在 rtdef.h（rtdef.h 第一次使用需要在 include 文件夾下面新建然后添加到工程 rtt/source 這個(gè)組文件）這個(gè)頭文件，具體見代碼清單 6-4。代碼清單 6-4 中除了rt_uint8_t 外，其它數(shù)據(jù)類型重定義是本章后面內(nèi)容需要使用到，這里統(tǒng)一貼出來，后面將不再贅述。

代碼清單 6-3 (2)：設(shè)置變量需要多少個(gè)字節(jié)對(duì)齊，對(duì)在它下面的變量起作用。ALIGN是一個(gè)帶參宏，在 rtdef.h 中定義，具體見代碼清單 6-4。RT_ALIGN_SIZE 是一個(gè)在rtconfig.h（rtconfig.h 第一次使用需要在 User 文件夾下面新建然后添加到工程 user 這個(gè)組文件）中定義的宏，默認(rèn)為 4，表示 4 個(gè)字節(jié)對(duì)齊，具體見代碼清單 6-5。

2、定義線程函數(shù)

線程是一個(gè)獨(dú)立的函數(shù)，函數(shù)主體無限循環(huán)且不能返回。本章我們?cè)?main.c 中定義的兩個(gè)線程具體見代碼清單 6-6。

代碼清單 6-6 (1)、(2)：正如我們所說的那樣，線程是一個(gè)獨(dú)立的、無限循環(huán)且不能返回的函數(shù)。

3、定義線程控制塊

在裸機(jī)系統(tǒng)中，程序的主體是 CPU 按照順序執(zhí)行的。而在多線程系統(tǒng)中，線程的執(zhí)行是由系統(tǒng)調(diào)度的。系統(tǒng)為了順利的調(diào)度線程，為每個(gè)線程都額外定義了一個(gè)線程控制塊，這個(gè)線程控制塊就相當(dāng)于線程的身份證，里面存有線程的所有信息，比如線程的棧指針，線程名稱，線程的形參等。有了這個(gè)線程控制塊之后，以后系統(tǒng)對(duì)線程的全部操作都可以通過這個(gè)線程控制塊來實(shí)現(xiàn)。定義一個(gè)線程控制塊需要一個(gè)新的數(shù)據(jù)類型，該數(shù)據(jù)類型在rtdef.h 這個(gè)頭文件中聲明，具體的聲明見代碼清單 6-7，使用它可以為每個(gè)線程都定義一個(gè)線程控制塊實(shí)體。

代碼清單 6-7 (1)：目前線程控制塊結(jié)構(gòu)體里面的成員還比較少，往后我們會(huì)慢慢在里面添加成員。代碼清單 6-7 (2)：在 RT-Thread 中，都會(huì)給新聲明的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重新定義一個(gè)指針。往后如果要定義線程控制塊變量就使用 struct rt_thread xxx 的形式，定義線程控制塊指針就使用 rt_thread_t xxx 的形式。在本章實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)?main.c 文件中為兩個(gè)線程定義的線程控制塊，具體見代碼清單6-8。

4、實(shí)現(xiàn)線程創(chuàng)建函數(shù)

線程的棧，線程的函數(shù)實(shí)體，線程的控制塊最終需要聯(lián)系起來才能由系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。那么這個(gè)聯(lián)系的工作就由線程初始化函數(shù) rt_thread_init()來實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)在 thread.c（thread.c 第一次使用需要自行在文件夾 rtthread/3.0.3/src 中新建并添加到工程的 rtt/source組）中定義，在 rtthread.h 中聲明，所有跟線程相關(guān)的函數(shù)都在這個(gè)文件定義。rt_thread_init()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)見代碼清單 6-9。