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(4)RT-Thread 多线程学习总结

多线程是实时操作系统里面最重要的知识点之一,要学习RTOS,多线程是必须(没错,是必须)要熟练掌握的内容,只有熟练掌握多线程的使用,才能在平时的项目工作里面用好实时操作系统。


关于多线程的使用和管理,RT-Thread官方提供了比较丰富的文档作为参考,具体内容可以查看以下链接:

https://www.rt-thread.org/document/site/programming-manual/thread/thread/


本文是对RT-Thread多线程学习后的总结,并尝试从如图所示的以下几个方面进行总结。


什么是多线程?


在单片机上学习RT-Thread的多线程之前,要先把“进程”这个概念先放一边,因为单片机是没有多进程概念的。单片机运行操作系统,不管多少个任务,他们都是多个(或单个)线程之间进行处理这些任务,单片机一般不涉及多进程。


什么是多线程?在哪些情况下要用到多线程?先来举一个音乐播放器的例子,这个音乐播放器要做以下这些基本的工作:读取音乐文件并播放、读取歌词并显示、读取MV文件并播放。


如果这三个基本的工作不用多线程来完成,单片机使用裸机的方式去做这三个工作的话,必然会造成音乐播放卡顿,歌词显示不同步,MV视频播放与音乐不同步。


因为单片机做这三件事情的时候,是Step by Step的,必须完成一件事情之后,再去做下一件事情,这三件事情是有先后顺序的,并且不断循环重复,如下图所示。

而如果采用多线程这种方式来完成这个工作,这个过程就变得相对简单了,比如针对音乐播放器这个场景,可以设计这几个线程来处理:音乐文件读取线程,歌词文件读取线程,MV文件读取线程,音视频和歌词显示线程。


此处只为举例描述多线程的概念,不考虑音视频编解码的复杂过程,不考虑线程同步,实际上音乐播放器的实现比此处描述更复杂)


音乐文件读取线程只负责从磁盘读取音乐文件,歌词文件读取线程和MV文件读取线程也是同样的道理,它们只做文件读取工作,而音视频和歌词显示线程,是负责把读取到的数据进行显示。这几个线程的工作过程,如下图所示。

如上图所示,这几个任务看上去是“同时”进行的,每个任务都只完成自己的事情,通过多线程,就可以把原本串行完成的任务改为并行完成,大大提高了工作效率。


所以,通俗地对多线程进行理解,就是把一个比较大型的任务,拆分为多个小型的任务,然后通过合理的调度方式,让这几个小型的任务“同时”运行,当这几个小型任务完成后,大型的任务也随之完成,这样可以大大提高任务的完成效率。


多线程的几种状态


对于运行RT-Thread操作系统,线程都处于以下五种状态的其中一种(初始状态、就绪状态、运行状态、挂起状态、关闭状态),通过调用操作系统提供的接口函数,可以让线程在这五种状态中进行来回切换。



关于这五种线程状态的描述,如下表所示:



多线程的API函数


如上图的状态机所示,多线程可以通过调用系统提供的函数接口,在多个状态之间进行切换。这些API函数在官方提供的参考文档里面都有详细的说明描述,以下列举一些比较常用的函数接口。

上下滑动查看 API 函数


多线程的应用示例


多线程的应用示例,主要是为了验证以上的多线程API接口函数,并且通过实验现象观察多线程的运行情况,主要有以下三个示例:


示例码下载链接:

https://github.com/embediot/rtthread_study_notes

1、线程动态创建与静态创建、线程退出示例。


这个示例主要是通过动态方式创建线程1,,通过静态方式创建线程2,线程1的优先级比线程2的优先级低,因此可以被线程2抢占。线程2运行10次后就会主动退出,初始化代码如下图所示。


2、相同优先级线程的时间片轮转调度示例。


这个示例主要是通过动态方式创建线程1和线程2,这两个线程都是相同的优先级,并且共用一个线程入口函数,主要是通过传入不同的线程参数以区分线程1和线程2。线程2运行所占用的时间片比线程1要少,因此线程2运行的时间比较短,初始化代码如下图所示。


3、线程调度器的钩子函数使用示例。


这个示例主要测试了线程在进行调度时,关于钩子函数的调用情况。通过线程调度器的钩子函数,打印出线程间的切换信息,初始化的代码如下图所示。


多线程应用的注意事项


在使用RT-Thread实时操作系统进行多线程应用开发的时候,应该要注意以下事项:


1、RT-Thread的线程调度器是抢占式的,也就是能够保证就绪队列里面,最高优先级的任务总能获得CPU的使用权,在任务设计的时候,要充分考虑好任务的优先级。


2、在硬件中断服务程序运行期间,如果有高优先级的任务就绪,那么被中断的低优先级任务将被挂起,高优先级的任务将会获得CPU的使用权。


3、每个线程都有独立的线程栈,用来保存线程调度时上下文的信息,因此在创建线程分配栈空间的时候,要充分考虑栈的大小。


4、在线程的循环体里面,应该要设置某些条件,在必要的时候主动让出CPU的使用权,特别对于高优先级的线程,如果程序里面有死循环操作而又不主动让出CPU使用权,那么这个线程将会一直占用CPU,并且低优先级的线程永远不会被调度执行。


5、对于没有一直循环执行的线程,线程执行完毕后,资源的回收情况实际上是在空闲线程里面进行的,线程变为关闭状态后,不代表资源马上被回收。


6、系统空闲线程是最低优先级且永远为就绪状态的,空闲线程是一个死循环,永远不会被挂起,但可以被其他高优先级任务抢占,空闲线程主要执行僵尸线程的资源回收工作。


7、空闲线程也可以设置钩子函数,用来进行功耗管理,看门狗喂狗等工作。


8、通过动态方式创建的线程,需要设置好系统堆内存的大小,而通过静态方式创建的线程,线程栈和线程句柄在程序编译的时候就已经确定,不能被动态分配,也不能被释放。


9、大多数线程都是在不断循环执行的,无需进行删除,一般不推荐主动删除线程。线程运行完毕后,系统调度器将会自动把线程加入僵尸队列,资源回收工作将在空闲线程里面进行。


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