【转】FreeRTOS 内核中的链表

FreeRTOS 内核中采用双向循环链表来进行任务调度，对任务总数没有限制，同一优先级的任务数也没有限制。相对于uC/OS-II 来说是一个大的优点。不过，有利必有弊。采用双向链表后代码相对来说要复杂一些。

FreeRTOS 中的链表和链表元素的定义如下：

typedef struct xLIST
{
    volatile unsigned portBASE_TYPE uxNumberOfItems; // 链表中有多少元素
    volatile xListItem * pxIndex;
    volatile xMiniListItem xListEnd;
} xList;
struct xLIST_ITEM
{
    portTickType xItemValue;
    volatile struct xLIST_ITEM * pxNext;
    volatile struct xLIST_ITEM * pxPrevious;
    void * pvOwner;
    void * pvContainer;
};typedef struct xLIST_ITEM xListItem;

先从链表元素开始分析，FreeRTOS 中的 xListItem 在其他代码中通常被称为 Node，也就是链表节点。

结构体中各个部分的含义如下：

xItemValue：存放链表节点的值，在 FreeRTOS 中，用这个值来存放时间，用于延时相关的功能。因此，这个变量的类型是 portTickType。

pxNext 和 pxPrevious： 是双向链表两个方向的指针。分别指向后一个元素和前一个节点。

pvOwner：xListItem 本身是包含在 tskTCB 结构中的（tskTCB结构存放任务的各种信息，一个tskTCB 对应的就是一个任务），pvOwner 指向所在的 tskTCB 结构。因此，通过xListItem 就知道对应的是哪个任务了。

pvContainer：pvContainer 指向它所在的xList，根据这个指针，就能知道任务是在就绪任务链表中还是阻塞任务链表中。当xListItem不在任何链表中时，pvContainer的值为 NULL。

链表节点只有初始化后采用使用，初始化函数是：void vListInitialiseItem( xListItem *pxItem )，初始化函数只做了一件事，就是将pvContainer 设为 NULL。

xList 表示对应的链表。各个元素的含义如下：

uxNumberOfItems：记录链表中有多少个节点（不包含xListEnd节点）。

pxIndex：是一个指针，用来遍历链表。

xListEnd：是链表中一个不能删除的节点。xListEnd 的后续节点指向的就是真正有用的链表节点。当没有其他链表元素时，xListEnd 的前后指针都指向自己。

链表初始化函数比较简单，下面列出代码：

void vListInitialise( xList *pxList )
{
    pxList->pxIndex = ( xListItem * ) &( pxList->xListEnd );
    pxList->xListEnd.xItemValue = portMAX_DELAY;
    pxList->xListEnd.pxNext = ( xListItem * ) &( pxList->xListEnd );
    pxList->xListEnd.pxPrevious = ( xListItem * ) &( pxList->xListEnd );
    pxList->uxNumberOfItems = ( unsigned portBASE_TYPE ) 0U;
}

链表操作主要有两大方面：将节点插入到链表，和从链表中删除节点。下面分别介绍。

FreeRTOS 将节点插入到链表又有两种操作。一个是将节点按照升序插入到链表的合适的位置。第二个是将节点插入到链表的结尾。

vListInsert 函数将节点按照升序插入到链表的合适的位置，前提是链表原本就是按照升序排序的。算法很简单，就是从第一个元素（xListEnd.pxNext）开始往后遍历，直到找到合适的位置，然后将节点插进去。

void vListInsert( xList *pxList, xListItem *pxNewListItem )
{
    volatile xListItem *pxIterator;
    portTickType xValueOfInsertion;
    xValueOfInsertion = pxNewListItem->xItemValue;
    if( xValueOfInsertion == portMAX_DELAY )
    {
        pxIterator = pxList->xListEnd.pxPrevious;
    }
    else
    {
        for( pxIterator = ( xListItem * ) &( pxList->xListEnd ); pxIterator->pxNext->xItemValue <= xValueOfInsertion; pxIterator = pxIterator->pxNext );
    }
    pxNewListItem->pxNext = pxIterator->pxNext;
    pxNewListItem->pxNext->pxPrevious = ( volatile xListItem * ) pxNewListItem;
    pxNewListItem->pxPrevious = pxIterator;
    pxIterator->pxNext = ( volatile xListItem * ) pxNewListItem;
    pxNewListItem->pvContainer = ( void * ) pxList;
    ( pxList->uxNumberOfItems )++;
}

vListInsertEnd 函数将节点插入到链表的最后。所谓的最后，其实就是让  pxList->pxIndex 指向它就行了，因为遍历时是从 pxIndex->pxNext 的开始的，遍历一圈之后最后才能到 pxIndex。算法很简单，下面是代码。

void vListInsertEnd( xList *pxList, xListItem *pxNewListItem )
{
    volatile xListItem * pxIndex;

    pxIndex = pxList->pxIndex;
    pxNewListItem->pxNext = pxIndex->pxNext;
    pxNewListItem->pxPrevious = pxList->pxIndex;
    pxIndex->pxNext->pxPrevious = ( volatile xListItem * ) pxNewListItem;
    pxIndex->pxNext = ( volatile xListItem * ) pxNewListItem;
    pxList->pxIndex = ( volatile xListItem * ) pxNewListItem;
    pxNewListItem->pvContainer = ( void * ) pxList;
    ( pxList->uxNumberOfItems )++;
}

从这两种将节点插入到链表的方法也能看出它们是不能混用的，将节点插入到链表最后是不能保证链表是升序排列的。FreeRTOS 的作者当然明白这个道理。在 FreeRTOS 中这两个函数各有自己的用途，当我们需要将一个任务延时一定时间时，使用vListInsert函数将其插入到xDelayedTaskList1 或xDelayedTaskList2。具体插入到那个链表要看延时值是否溢出了。而将一个任务设置为就绪状态时要将其按照优先级n 插入到pxReadyTasksLists[n]的最后，这时就要用vListInsertEnd函数了。插入到xPendingReadyList 和 xTasksWaitingTermination 链表时也要插入到最后，因此也用vListInsertEnd函数。总结一下，只有涉及到延时时才会用到vListInsert函数。

vListRemove 将节点从链表中删除，下面是代码。

void vListRemove( xListItem *pxItemToRemove )
{
    xList * pxList;
    pxItemToRemove->pxNext->pxPrevious = pxItemToRemove->pxPrevious;
    pxItemToRemove->pxPrevious->pxNext = pxItemToRemove->pxNext;
    pxList = ( xList * ) pxItemToRemove->pvContainer;
    if( pxList->pxIndex == pxItemToRemove )
    {
        pxList->pxIndex = pxItemToRemove->pxPrevious;
    }
    pxItemToRemove->pvContainer = NULL;
    ( pxList->uxNumberOfItems )--;
}

链表的另一个重要操作就是遍历链表，在 FreeRTOS 源码中用宏来实现的。算法很简单，就是将 pxIndex 指向的下一个节点的对应的 TCB 结构指针返回来，然后pxIndex向后挪移个位置。需要注意的就是pxIndex的下一个节点是 xListEnd 的时候要再向后挪一下。

#define listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxTCB, pxList ) \
{
    xList * const pxConstList = ( pxList ); \
    ( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext; \
    if( ( pxConstList )->pxIndex == ( xListItem * ) &( ( pxConstList )->xListEnd ) ) \
    { \
        ( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext; \
    } \
    ( pxTCB ) = ( pxConstList )->pxIndex->pvOwner; \
}

至此，链表有关的操作就都分析完了。实际上 FreeRTOS 源码中只用到了双向循环链表的最基本的功能。上面的分析也非常粗略，如果想更深入的学习链表的相关知识，可以找本算法或数据结构的教材来看看。不过，对于理解 FreeRTOS内核 ，上面这些已经够了。