【TencentOS tiny】深度源碼分析（1）——task

来源:https://www.cnblogs.com/iot-dev/archive/2019/10/16/11688897.html
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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作系統，任務可以使用或等待CPU、使用記憶體空間等系統資源，並獨立於其它任務運行，理論上任何數量的任務都可以共用同一個優先順序，這樣子處於就緒態的多個相同優先順序任務將會以時間片切換的方式共用 ...


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作系統，任務可以使用或等待CPU、使用記憶體空間等系統資源，並獨立於其它任務運行，理論上任何數量的任務都可以共用同一個優先順序，這樣子處於就緒態的多個相同優先順序任務將會以時間片切換的方式共用處理器。

不過要註意的是：在TencentOS tiny中，不能創建與空閑任務相同優先順序的任務K_TASK_PRIO_IDLE，相同優先順序下的任務需要允許使用時間片調度，打開TOS_CFG_ROUND_ROBIN_EN。

簡而言之： TencentOS tiny的任務可認為是一系列獨立任務的集合。每個任務在自己的環境中運行。在任何時刻，只有一個任務得到運行，由TencentOS tiny調度器決定運行哪個任務。從巨集觀看上去所有的任務都在同時在執行。

TencentOS中的任務是搶占式調度機制，高優先順序的任務可打斷低優先順序任務，低優先順序任務必須在高優先順序任務阻塞或結束後才能得到調度。同時TencentOS也支持時間片輪轉調度方式。

系統預設可以支持10個優先順序，0～TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX，這個巨集定義是可以修改的，優先順序數值越大的任務優先順序越低，(TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX - (k_prio_t)1u)為最低優先順序，分配給空閑任務使用。

#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任務狀態有以下幾種。

  • 就緒態（K_TASK_STATE_READY）：該任務在就緒列表中，就緒的任務已經具備執行的能力，只等待調度器進行調度，新創建的任務會初始化為就緒態。
  • 運行態（K_TASK_STATE_READY）：該狀態表明任務正在執行，此時它占用處理器，其實此時的任務還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順序的就緒態任務，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）：如果任務當前正在休眠讓出CPU使用權，那麼就可以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，並且被刪除。
  • 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，用於掛載系統中的所有處於就緒態的任務，他是readyqueue_t類型的列表，其成員變數如下：

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為每個優先順序的任務都分配一個列表，系統支持最大優先順序為TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX
prio_mask則是優先順序掩碼數組，它是一個類型為32位變數的數組，數組成員個數由TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX決定：

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

當TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX不超過32時數組成員變數只有一個，就是32位的變數數值，那麼該變數的每一位代表一個優先順序。比如當TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX為64時，prio_mask[0]變數的每一位（bit）代表0-31優先順序，而prio_mask[1]變數的每一位代表32-63優先順序。

highest_prio則是記錄當前優先順序列表的最高優先順序，方便索引task_list_head。

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，可能是睡眠、有期限地等待信號量、事件、消息隊列等情況~

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。系統為了順利的調度任務，為每個任務都額外定義了一個任務控制塊，這個任務控制塊就相當於任務的身份證，裡面存有任務的所有信息，比如任務的棧指針，任務名稱，任務的形參等。有了這個任務控制塊之後，以後系統對任務的全部操作都可以通過這個任務控制塊來實現。
TencentOS 任務控制塊如下：

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;            /**< 只是為了驗證，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;               /**< 任務優先順序 */

    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順序，在優先順序繼承中使用 */
#endif

    pend_obj_t         *pending_obj;       /**< 記錄任務此時掛載到的列表 */
    pend_state_t        pend_state;         /**< 等待被喚醒的原因（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;     /**< 等待事件的的操作類型：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;

創建任務

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的創建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 | 優先順序 |
|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開髮指南）：

  • 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。註意：task指針，應該指向生命周期大於待創建任務體生命周期的k_task_t類型變數，如果該指針指向的變數生命周期比待創建的任務體生命周期短，譬如可能是一個生命周期極端的函數棧上變數，可能會出現任務體還在運行而k_task_t變數已被銷毀，會導致系統調度出現不可預知問題。

  • name

    指向任務名字元串的指針。註意：同task，該指針指向的字元串生命周期應該大於待創建的任務體生命周期，一般來說，傳入字元串常量指針即可。

  • entry

    任務體運行的函數入口。當任務創建完畢進入運行狀態後，entry是任務執行的入口，用戶可以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

    任務優先順序。prio的數值越小，優先順序越高。用戶可以在tos_config.h中，通過TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX來配置任務優先順序的最大數值，在內核的實現中，idle任務的優先順序會被分配為TOS_CFG_TASK_PRIO_MAX - 1,此優先順序只能被idle任務使用。因此對於一個用戶創建的任務來說，合理的優先順序範圍應該為[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。註意：同task，該指針指向的記憶體空間的生命周期應該大於待創建的任務體生命周期。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。註意：因為stk_base是k_stack_t類型的數組指針，因此實際棧空間所占記憶體大小為stk_size * sizeof(k_stack_t)。

  • timeslice

    時間片輪轉機制下當前任務的時間片大小。當timeslice為0時，任務調度時間片會被設置為預設大小（TOS_CFG_CPU_TICK_PER_SECOND / 10），系統時鐘滴答（systick）數 / 10。

創建任務的實現如下：首先對參數進行檢查，還要再提一下：在TencentOS中，不能創建與空閑任務相同優先順序的任務K_TASK_PRIO_IDLE。然後調用cpu_task_stk_init函數將任務棧進行初始化，並且將傳入的參數記錄到任務控制塊中。如果打開了TOS_CFG_ROUND_ROBIN_EN巨集定義，則表示支持時間片調度，則需要配置時間片相關的信息timeslice到任務控制塊中。然後調用task_state_set_ready函數將新創建的任務設置為就緒態K_TASK_STATE_READY，再調用readyqueue_add_tail函數將任務插入就緒列表k_rdyq中。如果調度器運行起來了，則進行一次任務調度。

個人感覺吧，沒有從堆中動態分配還是有點小小的遺憾，我更喜歡簡單的函數介面~！

代碼如下：

__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;
}

任務銷毀

這個函數十分簡單，根據傳遞進來的任務控制塊銷毀任務，也可以傳遞進NULL表示銷毀當前運行的任務。但是不允許銷毀空閑任務k_idle_task，當調度器被鎖住時不能銷毀自身，會返回K_ERR_SCHED_LOCKED錯誤代碼。如果使用了互斥量，當任務被銷毀時會釋放掉互斥量，並且根據任務所處的狀態進行銷毀，比如任務處於就緒態、延時態、等待態，則會從對應的狀態列表中移除。
代碼實現如下：

__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

任務睡眠非常簡單，主要的思路就是將任務從就緒列表移除，然後添加到延時列表中k_tick_list，如果調度器被鎖，直接返回錯誤代碼K_ERR_SCHED_LOCKED，如果睡眠時間為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。不過需要註意的是如果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，這是因為任務睡眠是主動行為，如果永久睡眠了，將沒法主動喚醒，而任務等待事件、信號量、消息隊列等行為是被動行為，可以是永久等待，一旦事件發生了、信號量唄釋放、消息隊列不為空時任務就會被喚醒，這是被動行為，這兩點需要區分開來。最後調用readyqueue_remove函數將任務從就緒列表中移除，然後調用knl_sched函數發起一次任務調度，就能切換另一個任務。
任務睡眠的代碼如下：

__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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  • .NET 開源高性能 MQTT 類庫
    前言 隨著物聯網（IoT）技術的迅猛發展，MQTT（消息隊列遙測傳輸）協議憑藉其輕量級和高效性，已成為眾多物聯網應用的首選通信標準。 MQTTnet 作為一個高性能的 .NET 開源庫，為 .NET 平臺上的 MQTT 客戶端與伺服器開發提供了強大的支持。 本文將全面介紹 MQTTnet 的核心功能 ...
  • Serilog文檔翻譯系列（六） - 可用的接收器、增強器、格式化輸出
    Serilog支持多種接收器用於日誌存儲，增強器用於添加屬性，LogContext管理動態屬性，支持多種輸出格式包括純文本、JSON及ExpressionTemplate。還提供了自定義格式化選項，適用於不同需求。 ...
  • 警惕 Visual Studio 屬性求值副作用導致邏輯不符合預期
    目錄簡介獲取 HTML 文檔解析 HTML 文檔測試參考文章 簡介 動態內容網站使用 JavaScript 腳本動態檢索和渲染數據，爬取信息時需要模擬瀏覽器行為，否則獲取到的源碼基本是空的。 本文使用的爬取步驟如下： 使用 Selenium 獲取渲染後的 HTML 文檔 使用 HtmlAgility ...
  • [使用目前最新版]HybridCLR6.9.0+YooAsset2.2.4實現純C# Unity熱更新方案 (一)
    1.前言 什麼是熱更新 游戲或者軟體更新時，無需重新下載客戶端進行安裝，而是在應用程式啟動的情況下，在內部進行資源或者代碼更新 Unity目前常用熱更新解決方案 HybridCLR，Xlua，ILRuntime等 Unity目前常用資源管理解決方案 AssetBundles，Addressable， ...
  • 在 ASP.NET Core Web API 中使用操作篩選器統一處理通用操作
    本文章主要是在C# ASP.NET Core Web API框架實現向手機發送驗證碼簡訊功能。這裡我選擇是一個互億無線簡訊驗證碼平臺，其實像阿裡雲，騰訊雲上面也可以。 首先我們先去 互億無線 https://www.ihuyi.com/api/sms.html 去註冊一個賬號 註冊完成賬號後，它會送 ...
  • 第28篇 如何.net中實現高效可靠數據同步api
    通過以下方式可以高效，並保證數據同步的可靠性 1.API設計 使用RESTful設計，確保API端點明確，並使用適當的HTTP方法（如POST用於創建，PUT用於更新）。 設計清晰的請求和響應模型，以確保客戶端能夠理解預期格式。 2.數據驗證 在伺服器端進行嚴格的數據驗證，確保接收到的數據符合預期格 ...
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