RTOS 中协程与任务的区别

进程和线程我们都很熟悉了，在 RTOS 系统中的叫法可能不一样，我们熟悉的就是任务（Task），这个和线程（Thread）比较近似，你会发现有些地方 RTOS 的任务，也叫线程。

但是在 RTOS 中还有一种不是那么常见的程序，叫协程。今天就来简单聊聊 RTOS 中协程和任务的内容，以及它们的区别。

什么是协程？

协程，是协同程序的缩写，英文名 Coroutine。

协程是一种比线程更加轻量级的并发编程模型、程序组件，它允许单个线程内执行多个协程，而这些协程可以在执行过程中挂起和恢复，从而实现并发执行的效果。

这里通过一张图来了解下进程、线程和协程的关系：

协程主要由三种状态：运行(Runing）、就绪（Ready）、阻塞（Blocked）。

运行：当协程实际执行时，它被称为处于运行状态，当前协程正在使用处理器。
就绪：就绪的协程是那些能够执行（未阻塞）但目前未执行的协程。
阻塞：如果协程当前正在等待时间事件或外部事件，则该协程被称为处于阻塞状态。

协程的函数结构：

void vACoRoutineFunction( CoRoutineHandle_t xHandle,
                          UBaseType_t uxIndex )
{
    crSTART( xHandle );

    for( ;; )
    {
        //-- Co-routine application code here. --
    }

    crEND();
}

以调用 crSTART() 开始，调用 crEND() 结束，协程函数不应返回任何值。

它其实和 RTOS 中的任务有点类似，但也有很多不同（最后说区别）。

协程的案例

上面通过文字描述可能对于很多新手有点抽象，也有点难理解，这里结合代码案例给大家描述协程。

1、创建一个简单的LED闪烁协程

void vFlashCoRoutine( CoRoutineHandle_t xHandle,
                      UBaseType_t uxIndex )
{
    crSTART( xHandle );

    for( ;; )
    {
        // 延时一段时间
        crDELAY( xHandle, 10 );

        // 闪烁（翻转LED）
        vParTestToggleLED( 0 );
    }

    crEND();
}

2、调度协程

通过调用 vCoRoutineSchedule() 来调度协程。可以在任务空闲的时候：

void vApplicationIdleHook( void )
{
    vCoRoutineSchedule( void );
}

或者在没有执行其他函数的时候，循环调用：

void vApplicationIdleHook( void )
{
    for( ;; )
    {
        vCoRoutineSchedule( void );
    }
}

3、创建协程并启动任务调度器

比如：在 main() 函数中创建并启动调度器。

#include "task.h"
#include "croutine.h"

#define PRIORITY_0 0

void main( void )
{
    // 创建协程
    xCoRoutineCreate( vFlashCoRoutine, PRIORITY_0, 0 );

    //启用调度器.
    vTaskStartScheduler();
}

4、扩展：使用索引参数

假设我们要从同一函数中创建 8 个这样的协程。每个协程将以不同速度闪烁不同的 LED。索引参数可用于在协程函数中区分协程。

这里，我们创建 8 个协程，并向每个协程传递不同的索引：

#include "task.h"
#include "croutine.h"

#define PRIORITY_0        0
#define NUM_COROUTINES    8

void main( void )
{
    int i;

    for( i = 0; i < NUM_COROUTINES; i++ )
    {
        // This time i is passed in as the index.
        xCoRoutineCreate( vFlashCoRoutine, PRIORITY_0, i );
    }

    // NOTE: Tasks can also be created here!

    // Start the RTOS scheduler.
    vTaskStartScheduler();
}

协程函数也被扩展，因此每个协程使用的 LED 和闪烁速度都不同。


const int iFlashRates[ NUM_COROUTINES ] = { 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 };
const int iLEDToFlash[ NUM_COROUTINES ] = { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 }

void vFlashCoRoutine( CoRoutineHandle_t xHandle, UBaseType_t uxIndex )
{
    crSTART( xHandle );

    for( ;; )
    {
        // 根据索引设定延时
        crDELAY( xHandle, iFlashRate[ uxIndex ] );

        // LED闪烁
        vParTestToggleLED( iLEDToFlash[ uxIndex ] );
    }
    crEND();
}

上面通过案例介绍的协程的内容，有使用过 RTOS（任务）编程的朋友应该都能看明白，其实任务和协程有很多相似之处，但也有很多区别：

1、调度和管理

任务由操作系统进行调度和管理，而协程不需要系统调度器来管理，而是由用户自己管理。

2、占用资源

任务通过系统调用，会占用更多系统资源，而协程在单个线程中执行，不会像多线程那样消耗大量的系统资源。

3、RAM 使用量

协程不占用系统资源，因此协程更适合用于 RAM 较小的处理器，如早期的 8 位、 16 位 MCU。

4、限制

协程的优势是使用的 RAM 较少，但代价是协程存在更多的限制。与任务相比，协程的限制性更强，使用起来也更复杂。

5、执行效率

由于协程的切换是由程序自身控制的，没有线程切换的开销，因此协程在执行效率上通常更高。

6、......

早期,MCU 资源和性能相对都不高，有些 RTOS（如FreeRTOS）都有协程的功能。但是，随着 MCU 资源和性能的提升，协程已经被线程（任务）替代了。

END

作者：strongerHuang
来源：strongerHuang

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