rt-thread线程调试器获取当前最高优先级线程算法过程分析

上一章大概分析了rt-thread操作系统的线程调试器的源码，此文具体来讲讲rt-thread在调试时，是如何获取获得当前最高优先级线程的算法过程。

之前已提到过，rt-thread采用了一个位图来实现此过程，在具体分析此过程之前，我们首先来看看此位图的结构及相关的一些参数变量。

1 位图结构及相关参数

1.1 位图结构

在rt-thread的源码文件scheduler.c中在一位图，如下定义:

const rt_uint8_t rt_lowest_bitmap[] =
{
    /* 00 */ 0, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
    /* 10 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
    /* 20 */ 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
    /* 30 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
    /* 40 */ 6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
    /* 50 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
    /* 60 */ 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
    /* 70 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
    /* 80 */ 7, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
    /* 90 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
    /* A0 */ 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
    /* B0 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
    /* C0 */ 6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
    /* D0 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
    /* E0 */ 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,
    /* F0 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0
};

从这里暂时我们看不出什么名堂出来，暂且跳过，且再看些与此位图相关的一些参数.

1.2 与位图相关的参数

还是在scheduler.c源文件中有一些全局变量，如下定义:

rt_list_t rt_thread_priority_table[RT_THREAD_PRIORITY_MAX];//线程就绪表，上一篇文章已有介绍
struct rt_thread *rt_current_thread;//当前正在运行的线程

rt_uint8_t rt_current_priority;//保存当前正在运行的线程的优先级

#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32//最多优先级大于32时
/* Maximum priority level, 256 */
rt_uint32_t rt_thread_ready_priority_group;//暂且叫做就绪优先级组
rt_uint8_t rt_thread_ready_table[32];//暂且叫做就绪表
#else
/* Maximum priority level, 32 */
rt_uint32_t rt_thread_ready_priority_group;//就绪优先级组
#endif

由上源码可知，不管用户设置定义最大优先级是多少，都存在全局变量就绪优先级组，而只有当最大优先级大于32个优先级时，才会存在另一个全局变量就就绪表，它是一个数组，含义暂先不管，接着看后述内容。

1.3 线程控制块中与位图相关的参数

之前已有介绍有关线程控制块包含的成员变量，但对其部分有关位图操作的参数并未做详情介绍，如下：

//...    
/* priority */
    rt_uint8_t  current_priority;                       /**< current priority */
    rt_uint8_t  init_priority;                          /**< initialized priority */
#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32
    rt_uint8_t  number;
    rt_uint8_t  high_mask;
#endif
    rt_uint32_t number_mask;
//...

从上述源码可知，线程控制块中，只有当用户定义的最大优先级大于32个时，才会存在number和high_mask两个成员变量，这两个成员变量及另一个成员变量number_mask都是用来作位图运算用的，只不过后面那个成员变量number_mask不管用户定义的优先级个数大于32还是在32个优先级以内都会存在。它们的含义暂且看后述内容解说.

2 参数在初始化时的变化

在thread.c源文件中的_rt_thread_init函数中:

//...
thread->init_priority    = priority;
thread->current_priority = priority;
//...

得知在线程初始化时,已经将线程的当前优先级设为初始优先级.

在启动线程函数rt_thread_startup中有如下代码:

//...
    /* calculate priority attribute */
#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32
    thread->number      = thread->current_priority >> 3;            /* 5bit */
    thread->number_mask = 1L << thread->number;
    thread->high_mask   = 1L << (thread->current_priority & 0x07);  /* 3bit */
#else
    thread->number_mask = 1L << thread->current_priority;
#endif
//...

从上述代码可知,初次启动后的线程的成员number取当前优先级右移三位所得的值,即取高5位的值.

而将1左移number次所得的值做为number_mask的值,而high_mask的值取将1左移thread->current_priority &0x07后的值,即左称当前优先级低三位所代表的值.

由此可见,当用户定义的优先级等级多于32个时,优先级的高5位和低3位是表示不同含义的,看来优先级只是与位图掩码相关而已.

3 参数在线程调度过程中的变化

在线程rt_thread_startup后,系统会调用rt_thread_resume函数将线程立即运行,而在rt_thread_resume函数中,系统会调用rt_schedule_insert_thread函数将线程加入到调试器中,接着在rt_schedule_insert_thread函数中,系统会操作线程就绪表rt_thread_ready_table和线程就绪优先级组rt_thread_ready_priority_group,如下代码所示:

//...
#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32
    rt_thread_ready_table[thread->number] |= thread->high_mask;
#endif
    rt_thread_ready_priority_group |= thread->number_mask;
//...

由上可见,系统以thread->number值作为下标,在线程就绪表rt_thread_ready_table中对应的值或上thread->high_mask,而线程就绪优先级组th_thread_ready_priority_group的值或上thread->number_mask.

4 调试中获取当前最高优先级线程过程

接下来当然是最重要的,也就是本文的核心内容啦,之前那么多内容其实都是讲相关参数是如何变化的,因为这些参数在获取最高优先级的过程中将会使用到,因此有必要对其变化过程作个说明.

在线程调试函数rt_schedule,系统使用如下代码来获取当前最高优先级线程,代码如下:

//...
        register rt_ubase_t highest_ready_priority;

#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX == 8
        highest_ready_priority = rt_lowest_bitmap[rt_thread_ready_priority_group];//如果用户设置优先级总共为8个时最简单
#else
        register rt_ubase_t number;//number为一中间参数
        /* find out the highest priority task */
        if (rt_thread_ready_priority_group & 0xff)//以rt_thread_ready_priority_group的取值人条件,然后在位图中找到number这一中间参数的值
        {
            number = rt_lowest_bitmap[rt_thread_ready_priority_group & 0xff];
        }
        else if (rt_thread_ready_priority_group & 0xff00)
        {
            number = rt_lowest_bitmap[(rt_thread_ready_priority_group >> 8) & 0xff] + 8;
        }
        else if (rt_thread_ready_priority_group & 0xff0000)
        {
            number = rt_lowest_bitmap[(rt_thread_ready_priority_group >> 16) & 0xff] + 16;
        }
        else
        {
            number = rt_lowest_bitmap[(rt_thread_ready_priority_group >> 24) & 0xff] + 24;
        }
//接着再以number为因数,在位图和线程就绪表中经过一算法得到最高就绪优先级,这种算法有点怪,不是太明白为什么要这样做
//其实这并不妨碍我们理解,只要理解这是一种已经做好的算法即可
#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32 
highest_ready_priority = (number << 3) + rt_lowest_bitmap[rt_thread_ready_table[number]];
#else 
highest_ready_priority = number;
#endif
#endif 
/* get switch to thread */ 
to_thread = rt_list_entry(rt_thread_priority_table[highest_ready_priority].next,//最终从优先级算法系统中对应的就绪队列中得到相应的线程 
struct rt_thread, tlist);
//...

5 线程失去占用CPU时的参数变化

有以下几种方式线程将失去CPU:

主动失去CPU:

1:源码中调用sleep,delay函数使用线程放弃CPU.

2:源码中调用suspend使线程挂起.

被动失去CPU:

1:线程的时间片耗尽,被迫放弃CPU.

2:系统产生中断,线程暂时失去CPU,一旦中断例程执行完,还是会还原,这些是由硬件自动完成的.

在线程主动失去CPU时,程序最终会执行rt_schedule_remove_thread函数,将当前线程从调试器中移除.而在被动失去CPU中(这里指第一种,第二种完全由硬件来完成,不需要软件干预),程序会执行rt_list_remove(&(thread->tlist));同样将当前线程从调度器中移除,然后再执行:rt_list_insert_before(&(rt_thread_priority_table[thread->current_priority]),&(thread->tlist));将当前线程加入到调试器中对应队列末尾,紧接着执行rt_schedule();重新调试线程.

由此可见,在被动失去CPU的过程中,程序并未操作与获取线程最高优先级算法相关的几个参数,接上来看看rt_schedule_remove_thread函数:

/*
 * This function will remove a thread from system ready queue.
 *
 * @param thread the thread to be removed
 *
 * @note Please do not invoke this function in user application.
 */
void rt_schedule_remove_thread(struct rt_thread *thread)
{
    register rt_base_t temp;

    RT_ASSERT(thread != RT_NULL);

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

#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX <= 32
    RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_SCHEDULER, ("remove thread[%s], the priority: %d\n", 
                                      thread->name, thread->current_priority));
#else
    RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_SCHEDULER,
                 ("remove thread[%s], the priority: %d 0x%x %d\n", 
                  thread->name,
                  thread->number,
                  thread->number_mask,
                  thread->high_mask));
#endif

    /* remove thread from ready list */
    rt_list_remove(&(thread->tlist));//将当前线程从就绪队列中移除
    if (rt_list_isempty(&(rt_thread_priority_table[thread->current_priority])))
    {
#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32//之前参数操作的逆操作
        rt_thread_ready_table[thread->number] &= ~thread->high_mask;
        if (rt_thread_ready_table[thread->number] == 0)
        {
            rt_thread_ready_priority_group &= ~thread->number_mask;
        }
#else
        rt_thread_ready_priority_group &= ~thread->number_mask;
#endif
    }

    /* enable interrupt */
    rt_hw_interrupt_enable(temp);
}

由上述源码可见,在rt_schedule_remove_thread函数中,程序对与线程调试器获取最高优先级相关的几个参数做了逆操作.

6 后记

整个算法过程分析完毕,其实在目前为止,这里并没有对这个位图原理做出解释,个人认为,这并没多大关系,我们只需要知道,正是这么一个操作流程,结合这个位图,才得到一个与时间无关的算法.这个就是rt-thread操作系统线程调试的核心.