RT-Thread 01线程调度与管理
2.1 实时系统的需求
实时系统是一种需求倾向性的系统，对于实时的事件需要在第一时间内做出回应，而对非实时任务则可以在实时事件到达时为之让路——被抢占。所以实时系统也可以看成是一个等级系统，不同重要性的任务具有不同的优先等级：重要的事件能够优先被响应执行，非重要的事件可以适当往后推迟。
在RT-Thread实时操作系统中，任务采用了线程来实现，线程是RT-Thread中最基本的调度单位，它描述了一个任务执行的上下文关系，也描述了这个任务所处的优先等级。重要的任务能拥有相对较高的优先级，非重要的任务优先级可以放低，并且可以类似Linux一样具备分时的效果。
2.2 线程调度器
RT-Thread中提供的线程调度器是基于优先级的全抢占式调度：在系统中除了中断处理函数，调度器上锁部分的代码和禁止中断的代码是不可抢占的之外，系统的其他部分都是可以抢占的，包括线程调度器自身。系统总共支持256个优先级（0~255，数值越小的优先级越高，0的优先级最高，255分配给空闲线程使用，一般用户不使用。在一些资源比较紧张的系统中，可以根据实际情况选择只支持8个或32个优先级的系统配置）。
在系统中，当有比当前线程优先级更高的线程就绪时，当前线程将立即被换出，高优先级线程抢占处理器运行。
在RT-Thread调度器的视线中，包含了一共256个优先级队列的数组，每个数组元素中放置相同优先级链表的表头。这些相同优先级的列表形成一个双向环形链表，最低优先级线程链表一般包含一个idle线程。
RT-Thread内核中采用了给予位图的优先级算法（时间复杂度O（1），即与就绪线程的多少无关），通过位图的定位快速的获得优先级最高的线程。
RT-thread内核中也允许创建相同优先级的线程。相同优先级的线程采用时间片轮转方式进行（也就是通常说的分时调度器），时间片轮转调度仅在当前系统中无更高优先级就绪线程存在的情况下才有效。
2.3 线程控制块
线程控制块是操作系统用于控制线程的一个数据结构，它存放线程的一些信息。
在RT-Thread实时操作系统中，线程控制块由结构体struct rt_thread表示。另外一种C表达方式rt_thread_t，表示线程的句柄，在C语言中的实现是指向线程控制块的指针。
/* rt_thread_t线程句柄，指向线程控制块的指针 */
typedef struct rt_thread* rt_thread_t;
/*
* 线程控制块
*/
struct rt_thread
{
/* RT-Thread根对象定义 */
char name[RT_NAME_MAX]; /* 对象的名称*/
rt_uint8_t type; /* 对象的类型*/
rt_uint8_t flags; /* 对象的参数*/
#ifdef RT_USING_MODULE
void *module_id; /* 线程所在的模块ID*/
#endif
rt_list_t list; /* 对象链表*/
rt_list_t tlist; /* 线程链表*/
/* 栈指针及入口 */
void* sp; /* 线程的栈指针*/
void* entry; /* 线程入口*/
void* parameter; /* 线程入口参数*/
void* stack_addr; /* 线程栈地址*/
rt_uint16_t stack_size; /* 线程栈大小*/
rt_err_t error; /* 线程错误号*/
rt_uint8_t stat; /* 线程状态 */
/* 优先级相关域 */
rt_uint8_t current_priority; /* 当前优先级*/
rt_uint8_t init_priority; /* 初始线程优先级*/
#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32
rt_uint8_t number;
rt_uint8_t high_mask;
#endif
rt_uint32_t number_mask;
#if defined(RT_USING_EVENT)
/* 事件相关域 */
rt_uint32_t event_set;
rt_uint8_t event_info;
#endif
rt_ubase_t init_tick; /* 线程初始tick*/
rt_ubase_t remaining_tick; /* 线程当次运行剩余tick */
struct rt_timer thread_timer; /* 线程定时器*/
/* 当线程退出时，需要执行的清理函数 */
void (*cleanup)(struct rt_thread *tid);
rt_uint32_t user_data; /* 用户数据*/
};其中init_priority是线程创建时指定的线程优先级，在线程运行过程当中是不会被改变的（除非用户执行线程控制函数进行手动调整线程优先级）。cleanup成员是RT-Thread 1.0.0中新引入的成员，它会在线程退出时，被idle线程回调一次以执行用户设置的清理现场等工作。最后的一个成员user_data可由用户挂接一些数据信息到线程控制块中，以提供类似线程私有数据的实现，例如lwIP线程中用于放置定时器链表的表头。
2.4 线程状态
线程运行的过程中，一个时间内只允许一个线程在处理器中运行，从运行的过程上划分，线程有多种不同的运行状态，如运行态，非运行态等。在RT-Thread实时操作系统中，线程包含五种状态，操作系统会自动根据它运行的情况而动态调整它的状态。 RT-Thread中的五种线程状态如下所示：
| 状态 | 描述 |
|---|---|
| RT_THREAD_INIT | 线程初始状态。当线程刚开始创建还没开始运行时就处于这个 状态；在这个状态下，线程不参与调度 |
| RT_THREAD_SUSPEND | 挂起态、阻塞态。线程此时被挂起：它可能因为资源不可用而 挂起等待；或线程主动延时一段时间而被挂起。在这个状态下 ，线程不参与调度 |
| RT_THREAD_READY | 就绪态。线程正在运行；或当前线程运行完让出处理器后，操 作系统寻找最高优先级的就绪态线程运行 |
| RT_THREAD_RUNNING | 运行态。线程当前正在运行，在单核系统中，只有rt_thread_self()函数返回的线程处于这个状态；在多核系统中则不受这个限制。 |
| RT_THREAD_CLOSE | 线程结束态。当线程运行结束时将处于这个状态。这个状态的线程不参与线程的调度。 |
RT-Thread实时操作系统提供一系列的操作系统调用接口，使得线程的状态在这五个状态之间来回的变换。线程通过调用函数rt_thread_create/init进入到初始状态（RT_THREAD_INIT）；再通过调用函数rt_thread_startup进入到就绪状态（RT_THREAD_READY）；当处于就绪状态的线程调用rt_thread_delay，rt_sem_take，rt_mb_recv等函数或由于获取不到资源时，将进入到挂起状态（RT_THREAD_SUSPEND）；处于挂起状态的线程，如果等待超时依然未能获得资源或由于其他线程释放了资源，那么它将返回到就绪状态。挂起状态的线程，如果调用rt_thread_delete/detach将更改为关闭状态（RT_THREAD_CLOSE）；而运行状态的线程，如果运行结束会在线程最后部分执行rt_thread_exit函数而更改为关闭状态（RT_THREAD_CLOSE）。
2.5 空闲线程
空闲线程是系统线程中一个比较特殊的线程，它具有最低的优先级，当系统中无其他线程可运行时，调度器将调度到空闲线程。空闲线程通常是一个死循环，永远不被挂起。
RT-Thread实时操作系统为空闲线程提供了钩子函数（钩子函数：用户提供的一段代码，在系统运行的某一路径上设置一个钩子，当系统经过这个位置时，转而执行这个钩子函数，然后再返回到它的正常路径上），可以让系统在空闲的时候执行一些特定的任务，例如系统运行指示灯闪烁，电源管理等。除了调用钩子函数，RT-Thread也把线程清理（rt_thread->cleanup回调函数）函数、真正的线程删除动作放到了空闲线程中（在删除线程时，仅改变线程的状态为关闭状态不再参与系统调度）。
2.6 调度器相关接口
2.6.1 调度器初始化
void rt_system_scheduler_init(void); //在系统启动时需要指向调度器的初始化，以初始化系统调度器用到的全局变量。2.6.2 启动调度器
void rt_system_scheduler_start(void); //在系统完成初始化后切换到第一个线程，可以调用下面接口。在调用这个函数时，它会查找系统中优先级最高的就绪态线程，然后切换过去执行。另外在调用这个函数前，必须先做idle线程的初始化，即保证系统至少能够找到一个就绪状态的线程执行。此函数是永远不会返回的。
2.6.3 执行调度
void rt_schedule(void); //让调度器指向一次线程的调度 调用这个函数后，系统会计算一次系统中就绪态的线程，如果存在比当前线程更高优先级的线程时，系统将切换到高优先级的线程去。上层应用程序一般不需要调用这个函数。
2.6.4 设置调度器钩子
在整个系统的运行时，系统都处于线程运行、中断触发-响应中断、切换到其他线程，甚至是线程间的切换过程中，或者说系统的上下文切换是系统中最普遍的事件。有时用户可能会想知道在一个时刻发生了什么样的线程切换，可以通过调用下面的函数接口设置一个相应的钩子函数。在系统线程切换时，这个钩子函数将被调用：
void rt_scheduler_sethook(void (*hook)(struct rt_thread* from, struct rt_thread* to));这个函数用于把用户提供的hook函数设置到系统调度器钩子中，当系统进行上下文切换时，这个hook函数将会被系统调用。
这个hook函数的声明如下：
void hook(struct rt_thread* from, struct rt_thread* to);2.7 线程相关接口
2.7.1 线程创建
一个线程要成为可执行的对象就必须由操作系统的内核来为它创建（初始化）一个线程句柄。可以通过如下的函数接口来创建一个线程。
rt_thread_t rt_thread_create(const char* name,
void (*entry)(void* parameter), void* parameter,
rt_uint32_t stack_size,
rt_uint8_t priority, rt_uint32_t tick);调用这个函数时，系统会从动态堆内存中分配一个线程句柄（即TCB，线程控制块）以及按照参数中指定的栈大小从动态堆内存中分配相应的空间。分配出来的栈空间是按照rtconfig.h中配置的RT_ALIGN_SIZE方式对齐。
/*
* 程序清单：动态线程
*
* 这个程序会初始化2个动态线程：
* 它们拥有共同的入口函数，相同的优先级
* 但是它们的入口参数不相同
*/
#include 2.7.2 线程删除
对于一些使用rt_thread_create创建出来的线程，当不需要使用，或者运行出错时，我们可以使用下面的函数接口来从系统中把线程完全删除掉：
rt_err_t rt_thread_delete(rt_thread_t thread);调用该函数后，线程对象将会被移出线程队列并且从内核对象管理器中删除，线程占用的堆栈空间也会被释放，收回的空间将重新用于其他的内存分配。 实际上，用rt_thread_delete函数删除线程接口，仅仅是把相应的线程状态更改为RT_THREAD_CLOSE状态，然后放入到rt_thread_defunct队列中；而真正的删除动作（释放线程控制块和释放线程栈）需要到下一次执行idle线程时，由idle线程完成最后的线程删除动作。用rt_thread_init初始化的静态线程则不能使用此接口删除。
/*
* 程序清单：删除线程
*
* 这个例子会创建两个线程，在一个线程中删除另外一个线程。
*/
#include 2.7.3 线程初始化
线程的初始化可以使用下面的函数接口完成：
rt_err_t rt_thread_init(struct rt_thread* thread,
const char* name,
void (*entry)(void* parameter), void* parameter,
void* stack_start, rt_uint32_t stack_size,
rt_uint8_t priority, rt_uint32_t tick);rt_thread_init函数用来初始化静态线程对象。而线程句柄（或者说线程控制块指针），线程栈由用户提供。静态线程是指，线程控制块、线程运行栈一般都设置为全局变量，在编译时就被确定、被分配处理，内核不负责动态分配内存空间。需要注意的是，用户提供的栈首地址需做系统对齐（例如ARM上需要做4字节对齐）。
/*
* 程序清单：初始化静态线程
*
* 这个程序会初始化2个静态线程，它们拥有共同的入口函数，但参数不相同
*/
#include 2.7.4 线程脱离
线程脱离将使线程对象在线程队列和内核对象管理器中被删除。线程脱离使用下面的函数：
rt_err_t rt_thread_detach (rt_thread_t thread);注：这个函数接口是和rt_thread_delete()函数相对应的， rt_thread_delete()函数操作的对象是rt_thread_create()创建的句柄，而rt_thread_detach()函数操作的对象是使用rt_thread_init()函数初始化的线程控制块。同样，线程本身不应调用这个接口脱离线程本身。
/*
* 程序清单：线程脱离
*
* 这个例子会创建两个线程(t1和t2)，在t2中会对t1进行脱离操作；
* t1脱离后将不在运行，状态也更改为初始状态
*/
#include 2.7.5 线程启动
创建（初始化）的线程对象的状态处于初始态，并未进入就绪线程的调度队列，我们可以调用下面的函数接口启动一个线程：
rt_err_t rt_thread_startup(rt_thread_t thread);当调用这个函数时，将把线程的状态更改为就绪状态，并放到相应优先级队列中等待调度。如果新启动的线程优先级比当前线程优先级高，将立刻切换到这个线程。
2.7.6 当前线程
在程序的运行过程中，相同的一段代码可能会被多个线程执行，在执行的时候可以通过下面的函数接口获得当前执行的线程句柄。
rt_thread_t rt_thread_self(void);注：请不要在中断服务程序中调用此函数，因为它并不能准确获得当前的执行线程。当调度器未启动时，这个接口返回RT_NULL 。
2.7.7 线程让出处理器
当前线程的时间片用完或者该线程自动要求让出处理器资源时，它不再占有处理器，调度器会选择相同优先级的下一个线程执行。线程调用这个接口后，这个线程仍然在就绪队列中。线程让出处理器使用下面的函数接口：
rt_err_t rt_thread_yield(void);/*
* 程序清单：线程让出处理器
* 在这个例子中，将创建两个相同优先级的线程， 它们会通过rt_thread_yield
* 接口把处理器相互让给对方进行执行。
*/
#include 2.7.8 线程睡眠
在实际应用中，我们有时需要让运行的当前线程延迟一段时间，在指定的时间到达后重新运行，这就叫做“线程睡眠”。线程睡眠可使用以下两个函数接口：
rt_err_t rt_thread_sleep(rt_tick_t tick);
rt_err_t rt_thread_delay(rt_tick_t tick);这两个函数接口的作用相同，调用它们可以使当前线程挂起一段指定的时间，当这个时间过后，线程会被唤醒并再次进入就绪状态。这个函数接受一个参数，该参数指定了线程的休眠时间（单位是OS Tick时钟节拍）。
2.7.9 线程挂起
当线程调用rt_thread_delay，调用线程将主动挂起，当调用rt_sem_take，rt_mb_recv等函数时，资源不可使用也将导致调用线程挂起。处于挂起状态的线程，如果其等待的资源超时（超过其设定的等待时间），那么该线程将不再等待这些资源，并返回到就绪状态；或者，当其它线程释放掉该线程所等待的资源时，该线程也会返回到就绪状态。线程挂起使用下面的函数接口：
rt_err_t rt_thread_suspend (rt_thread_t thread);/*
* 程序清单：挂起线程
*
RT-Thread 1.2.0 23
2.7节 线程相关接口 RT-Thread编程指南
* 这个例子中将创建两个动态线程(t1和t2)
* 低优先级线程t1在启动后将一直持续运行；
* 高优先级线程t2在一定时刻后唤醒并挂起低优先级线程。
*/
#include 2.7.10 线程恢复
线程恢复就是让挂起的线程重新进入就绪状态，如果被恢复线程在所有就绪态线程中，位于最高优先级链表的第一位，那么系统将进行线程上下文的切换。线程恢复使用下面的函数接口：
rt_err_t rt_thread_resume (rt_thread_t thread);/*
* 程序清单：唤醒线程
*
* 这个例子中将创建两个动态线程(t1和t2)，
* 低优先级线程t1将挂起自身
* 高优先级线程t2将在一定时刻后唤醒低优先级线程。
*/
#include 2.7.11 线程控制
当需要对线程进行一些其他控制时，例如动态更改线程的优先级，可以调用如下函数接口：
rt_err_t rt_thread_control(rt_thread_t thread, rt_uint8_t cmd, void* arg);指示控制命令cmd当前支持的命令包括
* RT_THREAD_CTRL_CHANGE_PRIORITY - 动态更改线程的优先级；
* RT_THREAD_CTRL_STARTUP - 开始运行一个线程，等同于rt_thread_startup()函数调用；
* RT_THREAD_CTRL_CLOSE - 关闭一个线程，等同于rt_thread_delete()函数调用。
2.7.12 初始化空闲线程
根据前面的描述，系统运行过程中必须存在一个最终可运行的线程，可以调用如下函数初始化空闲线程：
void rt_thread_idle_init(void); 2.7.13 设置空闲线程钩子
可以调用如下的函数，设置空闲线程运行时执行的钩子函数。
void rt_thread_idle_sethook(void (*hook)(void));当空闲线程运行时会自动执行设置的钩子函数，由于空闲线程具有系统的最低优先级，所以只有在空闲的时候才会执行此钩子函数。空闲线程是一个线程状态永远为就绪态的线程，因此设置的钩子函数必须保证空闲线程在任何时刻都不会处于挂起状态，例如rt_thread_delay() ， rt_sem_take() 等可能会导致线程挂起的函数都不能使用。