RTT小师弟 · 8月26日

rt-thread 线程间同步和通信你用对了吗

本文由RT-Thread论坛用户@出出啊原创发布:https://club.rt-thread.org/as...

前言

系统优化系列先停一停,总对人指指点点会让大家反感的。今天给各位 rt-thread 使用者一些使用信号量、邮箱、消息队列等同步和通信机制的建议。
线程间同步概念

摘取 RT-Thread 官方文档中心对“线程间同步”的讲解。

同步是指按预定的先后次序进行运行,线程同步是指多个线程通过特定的机制(如互斥量,事件对象,临界区)来控制线程之间的执行顺序,也可以说是在线程之间通过同步建立起执行顺序的关系,如果没有同步,那线程之间将是无序的。
多个线程操作 / 访问同一块区域(代码),这块代码就称为临界区,上述例子中的共享内存块就是临界区。线程互斥是指对于临界区资源访问的排它性。当多个线程都要使用临界区资源时,任何时刻最多只允许一个线程去使用,其它要使用该资源的线程必须等待,直到占用资源者释放该资源。线程互斥可以看成是一种特殊的线程同步。

线程间同步的方式包括但不限于信号量、互斥量、事件集等。
线程间通信概念

说线程间同步使得不同线程的执行变得有序、有规有矩,避免了临界区的竞争访问。那么,线程间通信让多线程之间更“智能”。
线程间通信的方式包括但不限于邮箱、消息队列、信号
两种使用场景

毋庸置疑的,所有同步和通信机制都是为线程(任务)而生的。没有同步和通信的多线程是一盘散沙。在线程里调用同步和通信 API ,这是第一种使用场景。

第二种使用场景:中断向线程发送信号量、事件集、邮箱、消息队列。(互斥量千万不要在中断里使用)
我想,多数人使用过中断向线程 release / send 信号量或消息队列。从业务逻辑上讲,把中断等价于一个“线程”给另一个线程发送信号量等也是说得过去的。

但是,多数使用者忽略了一个问题,那就是,线程间同步和通信机制发送 API 无一例外会调用 rt_schedule 函数(任务调度)。虽然在中断里调用 rt_schedule 不会立马切换线程。但是,这无疑是增加中断处理任务量的!另外,还有一个值得需要考虑的问题,如果立马进行任务调度,有没有从高优先级切换到低优先级线程的风险?

由此,可能引起某些非预期后果,下面分两种情况分析。

当中断频度低,或者系统中断类型比较少的情况下,中断处理时间长短对业务影响不是很明显。例如行程开关的gpio中断,秒级或者分钟级时间周期才产生一次中断。

当中断频度高,或者系统中有多个比较频繁的中断类型。中断处理时间过长,可能引起同(低)优先级中断丢失。例如 115200 波特率的串口中断里使用 rt_sem_release 或者 rt_mq_send 时,得考虑一个问题了,串口接收中断处理函数最大处理时间超过 86us 了吗?

通信机制虽好,请勿随意使用。
中断接收处理的几点建议

个人建议,在中断中使用信号量或消息队列等机制时先考虑一下

中断频度在 10ms 以下,谨慎使用,1ms 以下就考虑其它方式吧。
开启 DMA ,DMA 是个好东西,因为有缓存,对中断处理的任务量要求小很多。
使用原子类型做数据非空标识。

可惜目前 rt-thread 没有提供原子类型的实现接口,不过我们可以用整型变量 f 代替(多数芯片架构下是可行的),中断接收数据放到用户 fifo 里,同时置位变量 f。线程里轮询变量 f 是否改变,检测到改变后立马复位变量 f,然后获取 filo 数据量,出栈数据。
可以保证的是,检测 f 是否改变不需要关中断,复位 f 时才需要短时间关中断,fifo 出栈数据也有极短的关中断时间。这些都比进行任务调度的 cpu 开销少。唯一不足是轮询检测的过程占用 cpu 高,怎么降低轮询的 cpu 占用?可以尝试一下 rt_thread_yield rt_schedule 。
总结

线程间同步和线程间通信机制虽好,但是并不是什么时候都能使用的。我们都知道中断里不能使用互斥量,但是忽略了,高频中断里使用同步和通信带来的隐形影响。
rtos 并没有让中断的使用更方便,相反,相比裸机,增加了更多注意点和使用限制。

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