要想使用好RTOS，做出更加穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品，必須非常清楚底層的調(diào)度原理。由于RTOS的實(shí)時(shí)性與可控性，所以只有了解了其核心部分的設(shè)計(jì)思想，才能用起來(lái)得心應(yīng)手，游刃有余。本文從RT-Thread的調(diào)度器設(shè)計(jì)的運(yùn)行方式上解釋一下調(diào)度器的行為，從而更加深刻的理解RT-Thread操作系統(tǒng)的調(diào)度時(shí)機(jī)。

1.調(diào)度是什么？

調(diào)度一般就是合理的安排、協(xié)調(diào)資源，統(tǒng)一指揮去完成一件事，而在操作系統(tǒng)中，線程調(diào)度就是有多個(gè)就緒優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，找到最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，交給CPU去運(yùn)行。

RT-Thread調(diào)度器就是起到判決線程當(dāng)前的優(yōu)先級(jí)，然后選擇當(dāng)前系統(tǒng)中最高優(yōu)先級(jí)的就緒態(tài)的線程交給CPU去管理。

調(diào)度又可以細(xì)分為兩種。可打斷調(diào)度:關(guān)鍵防止優(yōu)先級(jí)倒置;不可打斷調(diào)度:先來(lái)先服務(wù),不可中斷。RT-Thread 屬于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，所以其調(diào)度器實(shí)現(xiàn)的是可打斷的調(diào)度,當(dāng)有更高優(yōu)先級(jí)的線程或者更重要的任務(wù)就行，則可以打斷當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)，去執(zhí)行優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)。那么此時(shí)，調(diào)度的時(shí)機(jī)就非常的關(guān)鍵了。

2.調(diào)度怎么實(shí)現(xiàn)？

RT-Thread在創(chuàng)建任務(wù)的時(shí)候，會(huì)指定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)任務(wù)都有自己特定的唯一的優(yōu)先級(jí)。所以內(nèi)核線程對(duì)象中有不同的優(yōu)先級(jí)的任務(wù)列表。

如果最大指定為32個(gè)優(yōu)先級(jí)，那么可以用32位數(shù)據(jù)類型表示，每一個(gè)bit表示一個(gè)優(yōu)先級(jí)就緒的狀態(tài)。使用位圖的優(yōu)點(diǎn)就是速度快，而且內(nèi)存占用小。

一般來(lái)說(shuō)，調(diào)度去找到最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)時(shí)，就需要去做判斷。如何去找到最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。一般來(lái)說(shuō)，有兩種辦法：

軟件計(jì)算

硬件計(jì)算

這兩種的差別僅僅在于計(jì)算效率的問(wèn)題，本質(zhì)目的并無(wú)差別。

而用軟件計(jì)算方法尋找最高優(yōu)先級(jí)有兩種實(shí)現(xiàn)的策略：

1.遍歷就緒的隊(duì)列，找到最小的優(yōu)先級(jí)就緒的隊(duì)列，尋找的時(shí)間不確定，時(shí)間復(fù)雜度O(n)。

2.采用空間換時(shí)間的辦法，事先做好一個(gè)bitmap

例如系統(tǒng)中最大有8個(gè)優(yōu)先級(jí)，那么bitmap如下：

 1constrt_uint8_t__lowest_bit_bitmap[]=
 2{
 3/*00*/0,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
 4/*10*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
 5/*20*/5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
 6/*30*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
 7/*40*/6,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
 8/*50*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
 9/*60*/5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
10/*70*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
11/*80*/7,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
12/*90*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
13/*A0*/5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
14/*B0*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
15/*C0*/6,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
16/*D0*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
17/*E0*/5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
18/*F0*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0
19};

 1int__rt_ffs(intvalue)
 2{
 3if(value==0)return0;
 4
 5if(value&0xff)
 6return__lowest_bit_bitmap[value&0xff]+1;
 7
 8if(value&0xff00)
 9return__lowest_bit_bitmap[(value&0xff00)>>8]+9;
10
11if(value&0xff0000)
12return__lowest_bit_bitmap[(value&0xff0000)>>16]+17;
13
14return__lowest_bit_bitmap[(value&0xff000000)>>24]+25;
15}

如果當(dāng)前系統(tǒng)的線程狀態(tài)為0b0110 0000，那么轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制就是0x60，根據(jù)表中的狀態(tài)此時(shí)的最高優(yōu)先級(jí)是5+1=6。所以可以得出系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)，此時(shí)計(jì)算的復(fù)雜度為O(1)。

雖然RT-Thread 是支持同等優(yōu)先級(jí)的，但是在具體的業(yè)務(wù)邏輯的設(shè)計(jì)中，在使用RTOS常用的設(shè)計(jì)方法中，一般都是要求程序的運(yùn)行邏輯是可預(yù)測(cè)的，就是在程序執(zhí)行的過(guò)程中，可以預(yù)測(cè)到程序下一步的動(dòng)作。所以rtos中同等優(yōu)先級(jí)，按照時(shí)間片輪訓(xùn)的這種方式設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)邏輯的情況并不多。使用相同優(yōu)先級(jí)會(huì)增加系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯的復(fù)雜性。

3.什么時(shí)候系統(tǒng)做調(diào)度？

RT-Thread 是搶占式的系統(tǒng)調(diào)用，所以系統(tǒng)什么時(shí)候去做的調(diào)度非常的關(guān)鍵。系統(tǒng)調(diào)度行為具體又分為主動(dòng)調(diào)度和被動(dòng)調(diào)度兩種。

3.1 任務(wù)主動(dòng)block

當(dāng)A線程在正常運(yùn)行時(shí)，主動(dòng)放棄CPU的使用權(quán)，比如去執(zhí)行rt_thread_delay或者等待一個(gè)IPC消息時(shí)，當(dāng)前線程會(huì)主動(dòng)放棄CPU資源，此時(shí)去系統(tǒng)中尋找已經(jīng)就緒的最高優(yōu)先級(jí)的線程進(jìn)行調(diào)度。

這種方式應(yīng)用的場(chǎng)景比較豐富，比如當(dāng)前線程沒(méi)有獲取到資源時(shí)，需讓出CPU的使用權(quán)，或者事情做完了，主動(dòng)讓出CPU的使用權(quán)，這就是系統(tǒng)做調(diào)度的時(shí)機(jī)。

A線程的優(yōu)先級(jí)要高于B線程的優(yōu)先級(jí)，所以在A放棄CPU使用權(quán)后，已經(jīng)就緒的最高優(yōu)先級(jí)線程B就開(kāi)始執(zhí)行了。

3.2 被更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)喚醒

這種方式就是當(dāng)比當(dāng)前運(yùn)行線程的優(yōu)先級(jí)高的線程處于就緒態(tài)時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的就緒態(tài)線程會(huì)被喚醒，低優(yōu)先級(jí)線程將暫停運(yùn)行，此時(shí)會(huì)調(diào)度到比當(dāng)前線程更高的優(yōu)先級(jí)線程中去。

按照理解A線程是正在運(yùn)行的線程，此時(shí)更高任務(wù)優(yōu)先級(jí)的線程C就緒處于就緒狀態(tài)了。比如創(chuàng)建了一個(gè)比A優(yōu)先級(jí)更高的C進(jìn)程，并startup C線程，此時(shí)會(huì)執(zhí)行rt_schedule()將線程切換到優(yōu)先級(jí)更高的C線程。此時(shí)A線程運(yùn)行狀態(tài)以及處理器寄存器狀態(tài)壓棧，更高優(yōu)先級(jí)的C線程的狀態(tài)以及處理器寄存器狀態(tài)出棧，并且開(kāi)始運(yùn)行C線程。

3.3 yield放棄cpu使用

首先理解一下什么是yield，解釋成讓出，放棄比較合理。該出讓只針對(duì)于同等優(yōu)先級(jí)的線程。

這種情況只適用于A線程的優(yōu)先級(jí)等于B線程的優(yōu)先級(jí)的情況。因?yàn)镽TT支持同等優(yōu)先級(jí)的方式創(chuàng)建線程，相同的優(yōu)先級(jí)的切換是靠時(shí)間片輪詢來(lái)進(jìn)行的。所以，當(dāng)A線程正常運(yùn)行的時(shí)候，如果執(zhí)行了yield函數(shù)，那么只相當(dāng)于將A線程的時(shí)間片消耗完，此時(shí)同等優(yōu)先級(jí)的D線程開(kāi)始運(yùn)行。 由于在RTOS中，需要的是完成任務(wù)的確定性與可靠性，同等優(yōu)先級(jí)的情況比較有限，所以這一塊應(yīng)用的不多。

3.4 中斷中執(zhí)行調(diào)度

以上的三種屬于主動(dòng)進(jìn)行調(diào)度的過(guò)程，其系統(tǒng)的執(zhí)行流程都是可以預(yù)測(cè)的，但是中斷去執(zhí)行調(diào)度卻是比較特殊。是被動(dòng)調(diào)度。

這種方式是在中斷中執(zhí)行調(diào)度的，當(dāng)A線程正常運(yùn)行時(shí)，此時(shí)來(lái)了一個(gè)中斷，由于中斷的優(yōu)先級(jí)是高于線程的。所以，中斷處理事情，如果在中斷中執(zhí)行了調(diào)度函數(shù)，那么在中斷退出后，將直接切換到當(dāng)前系統(tǒng)中更高優(yōu)先級(jí)的線程去運(yùn)行。如果如果當(dāng)前系統(tǒng)的最高優(yōu)先級(jí)還是A，那么中斷退出后，執(zhí)行的最高優(yōu)先級(jí)線程依然是A。若存在線程E線程優(yōu)先級(jí)高于A并且處于就緒狀態(tài)，此時(shí)，中斷退出后，切換到E線程去執(zhí)行。

4.調(diào)度做了哪些事情？

系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度的時(shí)候做了哪些事情？

第一步：查找當(dāng)前系統(tǒng)中當(dāng)前以及就緒的最高優(yōu)先級(jí)的線程，若有高于當(dāng)前運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行的線程棧則執(zhí)行線程切換

第二步：關(guān)閉中斷，將系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)以及處理器的寄存器壓入?？臻g

第三步：找到需要運(yùn)行的線程的PC指針，并找到棧起始處彈出?？臻g中的寄存器狀態(tài)

第四部：打開(kāi)中斷，執(zhí)行異常ret，讓系統(tǒng)恢復(fù)執(zhí)行

此時(shí)，就切換到已經(jīng)就緒的更高優(yōu)先級(jí)的線程去運(yùn)行了。

5.總結(jié)

RT-Thread 線程的調(diào)度器是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，整個(gè)操作系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中何時(shí)切換線程、什么情況下去處理任務(wù)，以及做更高效的業(yè)務(wù)邏輯的應(yīng)用都離不開(kāi)系統(tǒng)調(diào)度。掌握了調(diào)度器運(yùn)行的規(guī)律，并且合理的使用線程調(diào)度時(shí)機(jī)，可以設(shè)計(jì)出更加穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品。通過(guò)閱讀代碼，就能預(yù)測(cè)程序下一步的執(zhí)行動(dòng)作。真正的做到手中有糧，心中不慌。