【TencentOS tiny】深度源碼分析（1）——task

時間  2019-11-25
標籤 TencentOS tiny 深度 源碼 分析 task 简体版
原文   原文鏈接

任務的基本概念

從系統的角度看，任務是競爭系統資源的最小運行單元。TencentOS tiny是一個支持多任務的操做系統，任務可使用或等待CPU、使用內存空間等系統資源，並獨立於其它任務運行，理論上任何數量的任務均可以共享同一個優先級，這樣子處於就緒態的多個相同優先級任務將會以時間片切換的方式共享處理器。centos

不過要注意的是：在TencentOS tiny中，不能建立與空閒任務相同優先級的任務K_TASK_PRIO_IDLE，相同優先級下的任務須要容許使用時間片調度，打開TOS_CFG_ROUND_ROBIN_EN。數組

簡而言之： TencentOS tiny的任務可認爲是一系列獨立任務的集合。每一個任務在本身的環境中運行。在任什麼時候刻，只有一個任務獲得運行，由TencentOS tiny調度器決定運行哪一個任務。從宏觀看上去全部的任務都在同時在執行。數據結構

TencentOS中的任務是搶佔式調度機制，高優先級的任務可打斷低優先級任務，低優先級任務必須在高優先級任務阻塞或結束後才能獲得調度。同時TencentOS也支持時間片輪轉調度方式。函數

系統默承認以支持10個優先級，0～TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX，這個宏定義是能夠修改的，優先級數值越大的任務優先級越低，(TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX - (k_prio_t)1u)爲最低優先級，分配給空閒任務使用。測試

#define K_TASK_PRIO_IDLE         (k_prio_t)(TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX - (k_prio_t)1u)
#define K_TASK_PRIO_INVALID      (k_prio_t)(TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX)

任務狀態

TencentOS tiny任務狀態有如下幾種。ui

  • 就緒態（K_TASK_STATE_READY）：該任務在就緒列表中，就緒的任務已經具有執行的能力，只等待調度器進行調度，新建立的任務會初始化爲就緒態。
  • 運行態（K_TASK_STATE_READY）：該狀態代表任務正在執行，此時它佔用處理器，其實此時的任務仍是處於就緒列表中的，TencentOS調度器選擇運行的永遠是處於最高優先級的就緒態任務，當任務被運行的一刻，它的任務狀態就變成了運行態。
  • 睡眠態（K_TASK_STATE_SLEEP）：若是任務當前正在休眠讓出CPU使用權，那麼就能夠說這個任務處於休眠狀態，該任務不在就緒列表中，此時任務處於睡眠列表中（或者叫延時列表）。
  • 等待態（K_TASK_STATE_PEND）：任務正在等待信號量、隊列或者等待事件等狀態。
  • 掛起態（K_TASK_STATE_SUSPENDED）：任務被掛起，此時任務對調度器而言是不可見的。
  • 退出態（K_TASK_STATE_DELETED）：該任務運行結束，而且被刪除。
  • 等待超時狀態（K_TASK_STATE_PENDTIMEOUT）：任務正在等待信號量、隊列或者等待事件發生超時的狀態。
  • 睡眠掛起態（K_TASK_STATE_SLEEP_SUSPENDED）：任務在睡眠中被掛起時的狀態。
  • 等待掛起態（K_TASK_STATE_PEND_SUSPENDED）：任務正在等待信號量、隊列或者等待事件時被掛起的狀態。
  • 等待超時掛起態（K_TASK_STATE_PENDTIMEOUT_SUSPENDED）：任務正在等待信號量、隊列或者等待事件發生超時，但此時任務已經被掛起的狀態。
// ready to schedule
// a task's pend_list is in readyqueue
#define K_TASK_STATE_READY                (k_task_state_t)0x0000

// delayed, or pend for a timeout
// a task's tick_list is in k_tick_list
#define K_TASK_STATE_SLEEP                (k_task_state_t)0x0001

// pend for something
// a task's pend_list is in some pend object's list
#define K_TASK_STATE_PEND                 (k_task_state_t)0x0002

// suspended
#define K_TASK_STATE_SUSPENDED            (k_task_state_t)0x0004

// deleted
#define K_TASK_STATE_DELETED              (k_task_state_t)0x0008

// actually we don't really need those TASK_STATE below, if you understand the task state deeply, the code can be much more elegant. 

// we are pending, also we are waitting for a timeout(eg. tos_sem_pend with a valid timeout, not TOS_TIME_FOREVER)
// both a task's tick_list and pend_list is not empty
#define K_TASK_STATE_PENDTIMEOUT                      (k_task_state_t)(K_TASK_STATE_PEND | K_TASK_STATE_SLEEP)

// suspended when sleeping
#define K_TASK_STATE_SLEEP_SUSPENDED                  (k_task_state_t)(K_TASK_STATE_SLEEP | K_TASK_STATE_SUSPENDED)

// suspened when pending
#define K_TASK_STATE_PEND_SUSPENDED                   (k_task_state_t)(K_TASK_STATE_PEND | K_TASK_STATE_SUSPENDED)

// suspended when pendtimeout
#define K_TASK_STATE_PENDTIMEOUT_SUSPENDED            (k_task_state_t)(K_TASK_STATE_PENDTIMEOUT | K_TASK_STATE_SUSPENDED)

TencentOS中維護任務的數據結構

就緒列表

TencentOS tiny維護一條就緒列表，用於掛載系統中的全部處於就緒態的任務，他是readyqueue_t類型的列表，其成員變量以下：this

readyqueue_t        k_rdyq;

typedef struct readyqueue_st {
    k_list_t    task_list_head[TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX];
    uint32_t    prio_mask[K_PRIO_TBL_SIZE];
    k_prio_t    highest_prio;
} readyqueue_t;

task_list_head是列表類型k_list_t的數組，TencentOS tiny爲每一個優先級的任務都分配一個列表，系統支持最大優先級爲TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX
prio_mask則是優先級掩碼數組，它是一個類型爲32位變量的數組，數組成員個數由TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX決定：操作系統

#define K_PRIO_TBL_SIZE         ((TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX + 31) / 32)

當TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX不超過32時數組成員變量只有一個，就是32位的變量數值，那麼該變量的每一位表明一個優先級。好比當TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX爲64時，prio_mask[0]變量的每一位（bit）表明0-31優先級，而prio_mask[1]變量的每一位表明32-63優先級。指針

highest_prio則是記錄當前優先級列表的最高優先級，方便索引task_list_head。code

延時列表

與系統時間相關的任務都會被掛載到這個列表中，多是睡眠、有期限地等待信號量、事件、消息隊列等狀況~

k_list_t             k_tick_list;

任務控制塊

在多任務系統中，任務的執行是由系統調度的。系統爲了順利的調度任務，爲每一個任務都額外定義了一個任務控制塊，這個任務控制塊就至關於任務的身份證，裏面存有任務的全部信息，好比任務的棧指針，任務名稱，任務的形參等。有了這個任務控制塊以後，之後系統對任務的所有操做均可以經過這個任務控制塊來實現。
TencentOS 任務控制塊以下：

typedef struct k_task_st {
    k_stack_t          *sp;                 /**< 任務棧指針,用於切換上下文*/

#if TOS_CFG_OBJECT_VERIFY_EN > 0u
    knl_obj_t           knl_obj;            /**< 只是爲了驗證，測試當前對象是否真的是一項任務。*/
#endif

    char               *name;               /**< 任務名稱 */
    k_task_entry_t      entry;              /**< 任務主體 */
    void               *arg;                /**< 任務主體形參 */
    k_task_state_t      state;              /**< 任務狀態 */
    k_prio_t            prio;               /**< 任務優先級 */

    k_stack_t          *stk_base;           /**< 任務棧基地址 */
    size_t              stk_size;           /**< 任務棧大小 */

    k_tick_t            tick_expires;       /**< 任務阻塞的時間 */

    k_list_t            tick_list;          /**< 延時列表 */
    k_list_t            pend_list;          /**< 就緒、等待列表 */

#if TOS_CFG_MUTEX_EN > 0u
    k_list_t            mutex_own_list;     /**< 任務擁有的互斥量 */
    k_prio_t            prio_pending;       /*< 用於記錄持有互斥量的任務初始優先級，在優先級繼承中使用 */
#endif

    pend_obj_t         *pending_obj;       /**< 記錄任務此時掛載到的列表 */
    pend_state_t        pend_state;         /**< 等待被喚醒的緣由（狀態） */

#if TOS_CFG_ROUND_ROBIN_EN > 0u
    k_timeslice_t       timeslice_reload;   /**< 時間片初始值（重裝載值） */
    k_timeslice_t       timeslice;          /**< 剩餘時間片 */
#endif

#if TOS_CFG_MSG_EN > 0u
    void               *msg_addr;           /**< 保存接收到的消息 */
    size_t              msg_size;           /**< 保存接收到的消息大小 */
#endif

#if TOS_CFG_EVENT_EN > 0u
    k_opt_t             opt_event_pend;     /**< 等待事件的的操做類型：TOS_OPT_EVENT_PEND_ANY 、 TOS_OPT_EVENT_PEND_ALL */
    k_event_flag_t      flag_expect;        /**< 期待發生的事件 */
    k_event_flag_t     *flag_match;         /**< 等待到的事件 */
#endif
} k_task_t;

建立任務

在TencentOS tiny中，凡是使用__API__修飾的函數都是提供給用戶使用的，而使用__KERNEL__修飾的代碼則是給內核使用的。
TencentOS的建立任務函數有好幾個參數：
|參數| 含義 |
|--|--|
|task | 任務控制塊 |
|name | 任務名字 |
|entry | 任務主體 |
|arg | 任務形參 |
|prio | 優先級 |
|stk_base | 任務棧基地址 |
|stk_size | 任務棧大小 |
|timeslice | 時間片 |

參數詳解（來源TencentOS tiny開發指南）：

  • task

    這是一個k_task_t類型的指針，k_task_t是內核的任務結構體類型。注意：task指針，應該指向生命週期大於待建立任務體生命週期的k_task_t類型變量，若是該指針指向的變量生命週期比待建立的任務體生命週期短，譬如多是一個生命週期極端的函數棧上變量，可能會出現任務體還在運行而k_task_t變量已被銷燬，會致使系統調度出現不可預知問題。

  • name

    指向任務名字符串的指針。注意：同task，該指針指向的字符串生命週期應該大於待建立的任務體生命週期，通常來講，傳入字符串常量指針便可。

  • entry

    任務體運行的函數入口。當任務建立完畢進入運行狀態後，entry是任務執行的入口，用戶能夠在此函數中編寫業務邏輯。

  • arg

    傳遞給任務入口函數的參數。

  • prio

    任務優先級。prio的數值越小，優先級越高。用戶能夠在tos_config.h中，經過TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX來配置任務優先級的最大數值，在內核的實現中，idle任務的優先級會被分配爲TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX - 1,此優先級只能被idle任務使用。所以對於一個用戶建立的任務來講，合理的優先級範圍應該爲[0, TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX - 2]。另外TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX的配置值必需大於等於8。

  • stk_base

    任務在運行時使用的棧空間的起始地址。注意：同task，該指針指向的內存空間的生命週期應該大於待建立的任務體生命週期。stk_base是k_stack_t類型的數組起始地址。

  • stk_size

    任務的棧空間大小。注意：由於stk_base是k_stack_t類型的數組指針，所以實際棧空間所佔內存大小爲stk_size * sizeof(k_stack_t)。

  • timeslice

    時間片輪起色制下當前任務的時間片大小。當timeslice爲0時，任務調度時間片會被設置爲默認大小（TOS_CFG_CPU_TICK_PER_SECOND / 10），系統時鐘滴答（systick）數 / 10。

建立任務的實現以下：首先對參數進行檢查，還要再提一下：在TencentOS中，不能建立與空閒任務相同優先級的任務K_TASK_PRIO_IDLE。而後調用cpu_task_stk_init函數將任務棧進行初始化，而且將傳入的參數記錄到任務控制塊中。若是打開了TOS_CFG_ROUND_ROBIN_EN宏定義，則表示支持時間片調度，則須要配置時間片相關的信息timeslice到任務控制塊中。而後調用task_state_set_ready函數將新建立的任務設置爲就緒態K_TASK_STATE_READY，再調用readyqueue_add_tail函數將任務插入就緒列表k_rdyq中。若是調度器運行起來了，則進行一次任務調度。

我的感受吧，沒有從堆中動態分配仍是有點小小的遺憾，我更喜歡簡單的函數接口~！

代碼以下：

__API__ k_err_t tos_task_create(k_task_t *task,
                                char *name,
                                k_task_entry_t entry,
                                void *arg,
                                k_prio_t prio,
                                k_stack_t *stk_base,
                                size_t stk_size,
                                k_timeslice_t timeslice)
{
    TOS_CPU_CPSR_ALLOC();

    TOS_IN_IRQ_CHECK();

    TOS_PTR_SANITY_CHECK(task);
    TOS_PTR_SANITY_CHECK(entry);
    TOS_PTR_SANITY_CHECK(stk_base);

    if (unlikely(stk_size < sizeof(cpu_context_t))) {
        return K_ERR_TASK_STK_SIZE_INVALID;
    }

    if (unlikely(prio == K_TASK_PRIO_IDLE && !knl_is_idle(task))) {
        return K_ERR_TASK_PRIO_INVALID;
    }

    if (unlikely(prio > K_TASK_PRIO_IDLE)) {
        return K_ERR_TASK_PRIO_INVALID;
    }

    task_reset(task);
#if TOS_CFG_OBJECT_VERIFY_EN > 0u
    knl_object_init(&task->knl_obj, KNL_OBJ_TYPE_TASK);
#endif

    task->sp        = cpu_task_stk_init((void *)entry, arg, (void *)task_exit, stk_base, stk_size);
    task->entry     = entry;
    task->arg       = arg;
    task->name      = name;
    task->prio      = prio;
    task->stk_base  = stk_base;
    task->stk_size  = stk_size;

#if TOS_CFG_ROUND_ROBIN_EN > 0u
    task->timeslice_reload = timeslice;

    if (timeslice == (k_timeslice_t)0u) {
        task->timeslice = k_robin_default_timeslice;
    } else {
        task->timeslice = timeslice;
    }
#endif

    TOS_CPU_INT_DISABLE();
    task_state_set_ready(task);
    readyqueue_add_tail(task);
    TOS_CPU_INT_ENABLE();

    if (tos_knl_is_running()) {
        knl_sched();
    }

    return K_ERR_NONE;
}

任務銷燬

這個函數十分簡單，根據傳遞進來的任務控制塊銷燬任務，也能夠傳遞進NULL表示銷燬當前運行的任務。可是不容許銷燬空閒任務k_idle_task，當調度器被鎖住時不能銷燬自身，會返回K_ERR_SCHED_LOCKED錯誤代碼。若是使用了互斥量，當任務被銷燬時會釋放掉互斥量，而且根據任務所處的狀態進行銷燬，好比任務處於就緒態、延時態、等待態，則會從對應的狀態列表中移除。
代碼實現以下：

__API__ k_err_t tos_task_destroy(k_task_t *task)
{
    TOS_CPU_CPSR_ALLOC();

    TOS_IN_IRQ_CHECK();

    if (unlikely(!task)) {
        task = k_curr_task;
    }

#if TOS_CFG_OBJECT_VERIFY_EN > 0u
    if (!knl_object_verify(&task->knl_obj, KNL_OBJ_TYPE_TASK)) {
        return K_ERR_OBJ_INVALID;
    }
#endif

    if (knl_is_idle(task)) {
        return K_ERR_TASK_DESTROY_IDLE;
    }

    if (knl_is_self(task) && knl_is_sched_locked()) {
        return K_ERR_SCHED_LOCKED;
    }

    TOS_CPU_INT_DISABLE();

#if TOS_CFG_MUTEX_EN > 0u
    // when we die, wakeup all the people in this land.
    if (!tos_list_empty(&task->mutex_own_list)) {
        task_mutex_release(task);
    }
#endif

    if (task_state_is_ready(task)) { // that's simple, good kid
        readyqueue_remove(task);
    }
    if (task_state_is_sleeping(task)) {
        tick_list_remove(task);
    }
    if (task_state_is_pending(task)) {
        pend_list_remove(task);
    }

    task_reset(task);
    task_state_set_deleted(task);

    TOS_CPU_INT_ENABLE();
    knl_sched();

    return K_ERR_NONE;
}

任務睡眠

任務睡眠很是簡單，主要的思路就是將任務從就緒列表移除，而後添加到延時列表中k_tick_list，若是調度器被鎖，直接返回錯誤代碼K_ERR_SCHED_LOCKED，若是睡眠時間爲0，則調用tos_task_yield函數發起一次任務調度；調用tick_list_add函數將任務插入延時列表中，睡眠的時間delay是由用戶指定的。不過須要注意的是若是任務睡眠的時間是永久睡眠TOS_TIME_FOREVER，將返回錯誤代碼K_ERR_DELAY_FOREVER，這是由於任務睡眠是主動行爲，若是永久睡眠了，將無法主動喚醒，而任務等待事件、信號量、消息隊列等行爲是被動行爲，能夠是永久等待，一旦事件發生了、信號量唄釋放、消息隊列不爲空時任務就會被喚醒，這是被動行爲，這兩點須要區分開來。最後調用readyqueue_remove函數將任務從就緒列表中移除，而後調用knl_sched函數發起一次任務調度，就能切換另外一個任務。
任務睡眠的代碼以下：

__API__ k_err_t tos_task_delay(k_tick_t delay)
{
    TOS_CPU_CPSR_ALLOC();

    TOS_IN_IRQ_CHECK();

    if (knl_is_sched_locked()) {
        return K_ERR_SCHED_LOCKED;
    }

    if (unlikely(delay == (k_tick_t)0u)) {
        tos_task_yield();
        return K_ERR_NONE;
    }

    TOS_CPU_INT_DISABLE();

    if (tick_list_add(k_curr_task, delay) != K_ERR_NONE) {
        TOS_CPU_INT_ENABLE();
        return K_ERR_DELAY_FOREVER;
    }

    readyqueue_remove(k_curr_task);

    TOS_CPU_INT_ENABLE();
    knl_sched();

    return K_ERR_NONE;
}

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