RT-Thread快速入门-线程管理(下)

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上一篇主要介绍了 RT-Thread 线程管理相关的理论知识：

RT-Thread快速入门-线程管理

这篇重点介绍 RT-thread 提供的线程管理相关的接口函数，以及实战演示。

线程创建

在 RT-Thread 中，创建一个线程的方式有两种：

动态创建方式，线程的栈和线程控制块由系统从动态内存堆上分配。
静态创建方式，线程的栈和线程控制块由用户定义分配。

1. 动态创建线程

动态创建线程，用户不需要考虑线程栈和线程控制块空间分配的问题，全部由系统自动完成分配。用户只需要关心其他关键的线程属性即可。

RT-Thread 动态创建一个线程的接口函数为 rt_thread_create()，其函数原型为：

rt_thread_t rt_thread_create(const char *name,
                             void (*entry)(void *parameter),
                             void       *parameter,
                             rt_uint32_t stack_size,
                             rt_uint8_t  priority,
                             rt_uint32_t tick)

该函数的详细参数在上一篇文章中做过详细的解释，在此不再赘述。

其中关键的几个参数分别是：

线程入口函数指针 entry，需要用户定义一个函数，创建线程的时候，将函数名放在这个参数位置。
线程栈大小 stack_size，单位是字节。根据实际情况设置这个参数，后边会分析如何确定这个值。
线程优先级 priority，根据线程需要完成任务的重要性来决定优先级值，值越小，优先级越高。
时间片 tick，单位为系统时钟节拍，如果有相同优先级的线程，才会用到此参数。

动态创建线程举例：

/* 线程入口函数 */
void thread_entry(void *parameter)
{
    ...
}

/* 定义线程控制块指针 */
rt_thread_t tid = RT_NULL;
/* 创建线程 */
tid = rt_thread_create("thread_test", thread_entry, 
                                                RT_NULL, 512, 10, 5);

首先定义一个线程控制块指针（线程句柄），然后调用 rt_thread_create() 函数创建线程。

此线程的名字为 “thread_test”；线程入口函数 thread_entry；入口函数的参数为 RT_NULL，无入口参数；线程栈的大小为 512 字节；线程优先级为 10；线程时间片为 5。

2. 静态创建线程

静态方式创建线程，需要用户考虑的东西多一点：线程控制块定义、线程栈空间申请、线程栈起始地址等。

静态创建线程分两步：

用户定义线程控制块结构变量，申请线程栈内存空间。
初始化线程控制块，即初始化线程。

线程控制块（线程句柄）定义可以通过如下方式完成，即定义 struct rt_thread 结构变量：

struct rt_thread  thread_static;

线程栈可以通过定义数组的方式来分配，或者通过动态内存分配的方式来完成：

/* 数组方式确定线程栈，应该定义成全局数组 */
char thread_stack[1024];

/* 动态内存申请方式，确定线程栈 */
char *thread_stack = (char *)rt_malloc(1024);

其中 rt_malloc() 函数会在后面内存管理文章做详细讲解。

线程控制块和线程栈定义完成后，需要对其进行初始化。RT-Thread 提供了线程初始化函数接口 rt_thread_init()，其函数原型定义为：

rt_err_t rt_thread_init(struct rt_thread *thread,
                        const char       *name,
                        void (*entry)(void *parameter),
                        void             *parameter,
                        void             *stack_start,
                        rt_uint32_t       stack_size,
                        rt_uint8_t        priority,
                        rt_uint32_t       tick)

该函数的各个参数解释如下：

参数	描述
thread	线程句柄，由用户提供，指向线程控制块内存地址
name	线程名称
entry	线程入口函数
parameter	线程入口函数的参数
stack_start	线程栈起始地址
stack_size	线程栈大小，单位是字节。
priority	线程的优先级。
tick	线程的时间片大小。

函数执行成功，返回 RT_EOK；执行失败，则返回 -RT_EOK。

要注意，用户提供的栈首地址需要做系统对齐，例如 ARM 架构的 CPU 上需要做 4 字节对齐。

静态创建线程举例：

/* 线程栈起始地址做内存对齐 */
ALIGN(RT_ALIGN_SIZE)
char thread_stack[1024];
/* 定义线程控制块 */
struct rt_thread thread;

/* 线程入口函数 */
void thread_entry(void *parameter)
{
    ...
}

/* 初始化线程控制块 */
rt_thread_init(&thread, "thread_test", thread_entry,
                RT_NULL, &thread_stack[0], sizeof(thread_stack),
                10, 5);

首先定义线程栈以及线程控制块，然后对线程控制块进行初始化。

线程句柄为线程控制块 thread 的地址 &thread；线程名称为 "thread_test"；线程入口函数为 thread_entry；入口函数的参数为 RT_NULL；线程栈起始地址为定义的数组的起始地址；线程栈大小为数组的字节数；优先级为 10；时间片为 5。

线程关键参数确定

创建一个线程有几个关键的参数需要用户确定：

线程栈大小
线程优先级
线程时间片

对于初学者来说，这几个参数的确定不好把握，或者说，不知道设置多大合适。

其实这些参数的确定，没有统一的标准，需要根据实际的应用，具体分析来做决定。

1. 线程栈大小的确定

在基于 RTOS 的程序设计中，每个线程（任务）都需要自己的栈空间，每个线程需要的栈，根据应用的不同，栈大小也会随之不同。

需要用到栈空间的内容如下：

函数调用需要用到栈空间的项目为：函数局部变量、函数形参、函数返回地址、函数内部状态。
线程切换的上下文。线程切换需要用到的寄存器需要入栈。
任务执行过程，发生中断。寄存器需要入栈。

实际应用中将这些加起来，可以粗略得到栈的最小需求，但是计算很麻烦。在实际分配栈大小的时候，可以粗略计算一个值后，取其二倍，比较保险。

2. 线程优先级分配

在 RT-Thread 中，线程优先级数值越小，其优先级越高。空闲任务的优先级最低。

线程优先级的分配，没有具体的标准。一般是根据具体的应用情况来配置。

为了能够使得某项事件得到及时处理，可以将处理此事件的线程设置为较高优先级。比如，按键检测、触摸检测、串口数据处理等等。

而对于那些实时处理不是很高的线程，则可以配置较低优先级。比如，LED 闪烁、界面显示等等。

3. 线程时间片分配

具有相同优先级的线程调度，线程时间片分配的长，则该线程执行时间长。

可以根据实际应用情况，如果某个线程完成某项事务，耗时比较长，可以给其分配较大的时间片。耗时较短的线程，分配较小的时间片。

如果应用程序中，没有相同优先级的线程，则此参数不起作用。

线程睡眠

在 RTOS 中，如果需要延时等待一会儿，千万不能用普通的延时等待（CPU 空转），应该调用 RTOS 提供的延时等待函数。如果用普通的延时，那么 RTOS 失去了实时性，浪费了 CPU 资源。

RT-Thread 提供了系统函数，用于让当前线程延迟一段时间，在指定的时间结束后，重新运行线程。线程睡眠可以使用以下三个函数：

rt_err_t rt_thread_sleep(rt_tick_t tick); /* 睡眠时间，单位为 时钟节拍 */
rt_err_t rt_thread_delay(rt_tick_t tick); /* 延时，单位为 时钟节拍 */
rt_err_t rt_thread_mdelay(rt_int32_t ms); /* 单位为 毫秒 */

这三个函数的作用相同，调用它们可以使得当前线程进入挂起状态，并持续一段指定的时间。这个时间到达后，线程会被唤醒并再次进入就绪状态。

rt_thread_sleep/delay() 的参数 tick，单位为 1 个系统时钟节拍（OS tick）。

rt_thread_mdelay() 的参数 ms，单位为 1ms。

函数的返回值为 RT_EOK。

使得线程进入休眠，即调用这三个函数中的一个，也是让出 CPU 权限的一种方式，可以让低优先级的线程能够得到执行。

如果高优先级的线程没有让出 CPU 的操作，那么低优先级的线程永远得不到 CPU 执行权限，从而引发问题出现。

因此，高优先级线程，要么等待某项系统资源不可用而进入挂起状态，要么调用这三个睡眠函数进入挂起状态，从而给低优先级线程执行的机会。

线程创建示例

此处用于演示如何使用上面介绍的线程创建函数：

#include <rtthread.h>

#define THREAD_PRIORITY 25
#define THREAD_STACK_SIZE 512
#define THREAD_TIMESLICE 5
static rt_thread_t tid1 = RT_NULL;


/* 线程1的入口函数 */
static void thread1_entry(void *parameter)
{
    rt_uint32_t count = 0;
    while (1)
    {
        /* 线程1采用低优先级运行，一直打印计数值 */
        rt_kprintf("thread1 count: %d\n", count ++);
        /* 延时 500ms */
        rt_thread_mdelay(500);
    }
}

ALIGN(RT_ALIGN_SIZE)
static char thread2_stack[1024];
static struct rt_thread thread2;

/* 线程2入口 */
static void thread2_entry(void *param)
{
    rt_uint32_t count = 0;
    /* 线程2拥有较高的优先级，以抢占线程1而获得执行 */
    for (count = 0; count < 10 ; count++)
    {
        /* 线程2打印计数值 */
        rt_kprintf("thread2 count: %d\n", count);
    }
    rt_kprintf("thread2 exit\n");
    
    /* 线程2运行结束后也将自动被系统脱离 */
}

int main()
{
    /* 创建线程1，名称是thread1，入口是thread1_entry */
    tid1 = rt_thread_create("thread1",
                thread1_entry, RT_NULL,
                THREAD_STACK_SIZE,
                THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
                            
    /* 如果获得线程控制块，启动这个线程 */
    if (tid1 != RT_NULL)
    {
        rt_thread_startup(tid1);
    }
    
    /* 初始化线程2，名称是thread2，入口是 thread2_entry */
    rt_thread_init(&thread2,
            "thread2",
            thread2_entry,
            RT_NULL,
            &thread2_stack[0],
            sizeof(thread2_stack),
            THREAD_PRIORITY - 1, THREAD_TIMESLICE);
    
    rt_thread_startup(&thread2);
}

这个例子用两种方式创建线程：静态方式和动态方式。一个线程在运行完毕后自动被系统删除，另一个线程一直打印计数。

编译运行，结果如下所示

系统线程

系统线程是指由系统创建的线程，而用户线程是由用户程序调用线程创建函数创建的线程。RT-Thread 内核的系统线程有两个：

空闲线程
主线程

1. 空闲线程

空闲线程是优先级最低的线程，该线程永远处于就绪状态。当系统中没有其他就绪线程时，调度器会将 CPU

权限给空闲线程。空闲线程永远不能挂起。

RT-Thread 的空闲线程由特殊用途：

空闲线程会回收被删除线程的资源。
可以设置空闲线程钩子函数，在空闲线程中调用。

2. 主线程

系统启动时，会自动创建 main 线程，其入口函数为 main_thread_entry()，用户的应用程序入口函数 main() 就是从这里开始。

RT-Thread 系统启动过程，可以参考文章：RT-Thread快速入门-了解内核启动流程

系统调度器启动后，main 线程就开始运行，函数调用过程如下图所示：

用户可以在 main() 函数中添加自己的应用程序代码。

线程其他管理函数

在此列出 RT-Thread 提供的其他线程管理函数接口，初学者可以作为了解即可。如果要详细学习，可以查看官方的编程手册。

1. 删除线程

用 rt_thread_create() 创建出来的线程，当不需要使用时，可以使用下面的函数接口把它完全删除掉：

rt_err_t rt_thread_delete(rt_thread_t thread);

函数的参数 thread 为线程控制块指针。

此函数的作用是，把线程对象从线程队列中删除，释放线程占用的堆空间，并把相应的线程状态更改为 RT_THREAD_CLOSE 状态。

对于用 rt_thread_init() 初始化的线程，使用 rt_thread_detach() 将使线程对象在线程队列和内核对
象管理器中被脱离。线程脱离函数如下：

rt_err_t rt_thread_detach (rt_thread_t thread);

线程本身不会调用这两个函数，应该是其他线程调用，用于删除某个线程。

2. 获得当前运行线程

RT-Thread 提供了函数接口，用于查询当前正在执行的线程句柄：

rt_thread_t rt_thread_self(void);

该函数的返回值是，线程控制块指针（线程句柄）。

调用失败，则返回 RT_NULL，说明系统调度器还未启动。

3. 线程让出处理器

处于运行状态的线程可以主动让出 CPU 的使用权限，通过调用如下函数：

rt_err_t rt_thread_yield(void);

调用此函数后，当前线程首先把自己从它所在的就绪优先级线程队列中删除，然后把自己挂到这个优先级队列链表的尾部，然后激活调度器进行线程上下文切换（如果当前优先级只有这一个线程，则这个线程继续执行，不进行上下文切换动作）。

4. 挂起和恢复线程

线程挂起的函数接口如下：

rt_err_t rt_thread_suspend (rt_thread_t thread);

参数 thread 为线程句柄（线程控制块指针）。

线程挂起成功，返回 RT_OK；挂起失败，则返回 -RT_ERROR。

注意，通常不应该使用这个函数来挂起线程本身。

恢复一个挂起的线程，就是让它重新进入就绪状态，并将线程放入系统的就绪队列中。使得线程恢复的函数接口为：

rt_err_t rt_thread_resume (rt_thread_t thread);

5. 控制线程

当需要堆一个线程进行其他控制时，可以调用如下函数接口：

rt_err_t rt_thread_control(rt_thread_t thread, rt_uint8_t cmd, void* arg);

参数 thread 为线程句柄；参数 cmd 为控制指令；arg 为控制指令参数。

返回 RT_EOK，表示执行成功。返回 -RT_ERROR，表示执行失败。

指示控制命令 cmd 当前支持的命令如下：

RT_THREAD_CTRL_CHANGE_PRIORITY，动态更改线程优先级。
RT_THREAD_CTRL_STARTUP，开始运行一个线程。
RT_THREAD_CTRL_CLOSE，关闭一个线程。
RT_THREAD_CTRL_BIND_CPU，绑定线程到某个 CPU。

6. 设置和删除空闲钩子函数

RT-Thread 提供函数接口设置空闲钩子函数：

rt_err_t rt_thread_idle_sethook(void (*hook)(void));
rt_err_t rt_thread_idle_delhook(void (*hook)(void));

钩子函数在空闲线程中自动运行，可以在钩子函数中做一些其他事情，比如系统指示灯闪烁。

空闲线程必须永远为就绪态，因此钩子函数不能调用能挂起线程的函数。

小结

至此，RT-Thread 线程管理相关的内容学习完毕。这两篇文章，讲解了 RT-Thread 线程相关的理论知识，以及提供的系统函数接口。

并结合实验演示线程创建和线程延时的用法。其他线程管理简单进行了介绍。

对于入门来说，了解线程基础知识后，能够使用线程创建函数的使用即可。

深入学习的话，可以参考官方编程手册，详细学习线程管理其他的函数接口。

OK，今天先到这，下次继续。加油~

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