【RT-Thread】線程的基本知識

什麼是線程？

人們在生活中處理複雜問題時，慣用的方法就是分而治之，即把一個大問題分解成多個相對簡單、比較容易解決的小問題，小問題逐個被解決了，大問題也就隨之解決了。一樣，在設計一個較爲複雜的應用程序時，也一般把一個大型任務分解成多個小任務，而後經過運行這些小任務，最終達到完成大任務的目的。

在裸機系統中， 系統的主體就是 main 函數裏面順序執行的無限循環，這個無限循環裏面 CPU 按照順序完成各類事情。在多線程系統中，咱們根據功能的不一樣，把整個系統分割成一個個獨立的且沒法返回的函數，這個函數咱們稱爲線程。

線程由哪些部分組成？

RT-Thread 中的線程由三部分組成：線程代碼（函數）、線程控制塊、線程堆棧。

線程棧

在一個裸機系統中， 若是有全局變量，有子函數調用，有中斷髮生。那麼系統在運行的時候，全局變量放在哪裏，子函數調用時，局部變量放在哪裏， 中斷髮生時，函數返回地址發哪裏。

若是隻是單純的裸機編程，它們放哪裏咱們不用管，可是若是要寫一個 RTOS，這些種種環境參數，咱們必須弄清楚他們是如何存儲的。

在裸機系統中，他們通通放在一個叫棧的地方，棧是單片機 RAM 裏面一段連續的內存空間，棧的大小通常在啓動文件或者連接腳本里面指定， 最後由 C 庫函數_main 進行初始化。

可是， 在多線程系統中，每一個線程都是獨立的，互不干擾的，因此要爲每一個線程都分配獨立的棧空間，這個棧空間一般是一個預先定義好的全局數組， 也能夠是動態分配的一段內存空間，但它們都存在於 RAM 中。 如：

static rt_uint8_t led_stack[512];

線程棧其實就是一個預先定義好的全局數據，數據類型爲rt_uint8_t，大小咱們設置爲 512。 在 RT-Thread 中，凡是涉及到數據類型的地方， RTThread 都會將標準的 C 數據類型用 typedef 從新取一個類型名， 以「rt」前綴開頭。這些通過重定義的數據類型放在 rtdef.h ，如：

線程控制塊

在 RT-Thread 中，線程控制塊由結構體 struct rt_thread 表示，線程控制塊是操做系統用於管理線程的一個數據結構，它會存放線程的一些信息，例如優先級、線程名稱、線程狀態等，也包含線程與線程之間鏈接用的鏈表結構，線程等待事件集合等，詳細定義以下（在rtdef.h中定義）：

爲led線程定義一個線程控制塊：

static struct rt_thread led_thread;

線程函數

線程控制塊中的 entry 是線程的入口函數，它是線程實現預期功能的函數。線程的入口函數由用戶設 計實現，通常有如下兩種代碼形式：

無限循環模式：

在實時系統中，線程一般是被動式的：這個是由實時系統的特性所決定的，實時系統一般老是等待外界事件的發生，然後進行相應的服務：

順序執行或有限次循環模式：

如簡單的順序語句、 do whlie() 或 for() 循環等，此類線程不會循環或不會永久循環，可謂是 「一次性」線程，必定會被執行完畢。在執行完畢後，線程將被系統自動刪除。

動態線程與靜態線程

咱們的用戶線程有兩種建立方式，一種是靜態線程，另外一種是動態線程。

建立靜態線程的函數：

返回值爲錯誤代碼。

建立動態線程的函數：

返回值爲線程控制塊 。

線程建立實例

建立一個靜態線程

一、肯定線程棧

二、定義線程控制塊

三、建立線程函數。

#include <rtthread.h>
#include <rtdevice.h>
#include <board.h>

/* 靜態線程相關宏定義 */
#define THREAD_PRIORITY          25						/* 優先級       */
#define STACK_SIZE 				 512					/* 棧大小       */
#define TIMESLICE   			 5						/* 時間片       */

/* 線程三要素 */
static rt_uint8_t static_thread_stack[STACK_SIZE];		/* 線程棧       */
static struct rt_thread static_thread;					/* 線程控制塊   */
static void static_thread_entry(void* parameter);		/* 線程入口函數 */

/* 靜態線程入口函數 */ 
static void static_thread_entry(void* parameter)
{
    rt_uint32_t i = 0;
	rt_kprintf("This is static thread!\n");
    /* 無限循環*/
    while (1)
    {
        rt_kprintf("static thread count:%d \r\n", ++i);
        /* 等待0.5s，讓出cpu權限，切換到其餘線程 */
        rt_thread_delay(500);
    }
}

/* 主函數 */
int main(void)
{
	rt_err_t result;  
	
	/* 建立靜態線程 ： 優先級 25 ，時間片 5個系統滴答，線程棧512字節 */
    result = rt_thread_init(&static_thread,
                            "static_thread",
                            static_thread_entry, 
							RT_NULL,
                            (rt_uint8_t*)&static_thread_stack[0], 
							STACK_SIZE, 
							THREAD_PRIORITY, 
							TIMESLICE);
	
	/* 建立成功則啓動靜態線程 */
	if (result == RT_EOK)
    {
        rt_thread_startup(&static_thread);
    }
}

運行結果爲：

可見，在T-Thread中建立一個線程須要線程棧、線程控制塊與線程函數這三要素。除此以外，須要設置一個線程優先級，由於RT-Thread的調度器是基於優先級的搶佔式調度算法。還須要設置一個時間片參數，這個用於多個線程具備同等優先級的狀況下，採用時間片的輪轉調度算法進行調度，這個值與時間節拍有關，每一秒的節拍數可在rtconfig.h裏進行設置：

在這裏咱們只建立一個線程，因此時間片咱們沒有用到，但也須要傳遞一個時間片的值給rt_thread_init函數。最後，在主函數裏調用相關接口建立一個靜態線程，建立成功則啓動該線程。

建立一個動態線程

建立動態線程與建立靜態線程相似：

#include <rtthread.h>
#include <rtdevice.h>
#include <board.h>

/* 動態線程相關宏定義 */
#define THREAD_PRIORITY   		25						/* 優先級       */
#define STACK_SIZE 				512						/* 棧大小       */
#define TIMESLICE  				5						/* 時間片       */

/* 線程三要素 */
static rt_uint8_t dynamic_thread_stack[STACK_SIZE];		/* 線程棧       */
static struct rt_thread dynamic_thread;					/* 線程控制塊   */
static void dynamic_thread_entry(void* parameter);		/* 線程入口函數 */

/* 動態線程入口函數 */
static void dynamic_thread_entry(void* parameter)
{
    rt_uint32_t i;
    /* 無限循環*/
    while (1)
    {
        for (i = 0; i < 5; i++)
        {
            rt_kprintf("dynamic thread count:%d \r\n", i);
            /* 等待1s，讓出cpu權限，切換到其餘線程 */
            rt_thread_delay(500);
        }
    }
}

/* 主函數 */
int main(void)
{
	rt_thread_t tid;  // 動態線程句柄
	
	/* 建立動態線程 ： 優先級 25 ，時間片 5個系統滴答，線程棧512字節 */
	tid = rt_thread_create("dynamic_thread",
							dynamic_thread_entry,
							RT_NULL,
							STACK_SIZE,
							THREAD_PRIORITY,
							TIMESLICE);
	/* 建立成功則啓動動態線程 */
	if (tid != RT_NULL)
	{
		rt_thread_startup(tid);
	} 
}

運行結果：

靜態線程VS動態線程

上例中，從運行結果上看，是沒有任何差異的！那麼，咱們在實際中如何抉擇？

使用靜態線程時，必須先定義靜態的線程控制塊，而且定義好棧空間，而後調用rt_thread_init()函數來完成線程的初始化工做。採用這種方式，線程控制塊和堆棧佔用的內存會放在 RW/ZI 段，這段空間在編譯時就已經肯定，它不是能夠動態分配的，因此不能被釋放，而只能使用 rt_thread_detach()函數將該線程控制塊從對象管理器中脫離。 使用動態定義方式 rt_thread_create()時， RT-Thread 會動態申請線程控制塊和堆棧空間。在編譯時，編譯器是不會感知到這段空間的，只有在程序運行時， RT-Thread 纔會從系統堆中申請分配這段內存空間，當不須要使用該線程時，調用 rt_thread_delete()函數就會將這段申請的內存空間從新釋放到內存堆中。

這兩種方式各有利弊，靜態定義方式會佔用 RW/ZI 空間，可是不須要動態分配內存，運行時效率較高，實時性較好。動態方式不會佔用額外的 RW/ZI 空間，佔用空間小，可是運行時須要動態分配內存，效率沒有靜態方式高。

總的來講，這兩種方式就是空間和時間效率的平衡，能夠根據實際環境需求選擇採用具體的分配方式。就像C編程中，什麼時候使用動態空間，什麼時候使用靜態空間，也須要根據實際狀況平衡選擇。

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