RT-Thread-【RT-Thread内核详解系列】基于优先级的全抢占式调度算法的实现RT-Thread问答社区

【RT-Thread内核详解系列】基于优先级的全抢占式调度算法的实现

发布于 2022-01-09 00:57:51 浏览：2597 订阅该版

[tocm]

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> **-- 苏格拉底**

# 一、原理概述

RT-Thread 是一款嵌入式实时操作系统（RTOS），同时也是一款优秀的物联网操作系统，相对于裸机的轮询调度算法，它使用的线程（任务）调度算法是基于优先级的全抢占式多线程调度算法，该算法大大增强了系统的实时响应，大大扩展了系统的应用场景。

该调度算法在每次调度任务时，总会选择优先级最高的就绪任务执行，保证优先级高的任务得到最及时的响应。

下面，我们来详细讲解该调度算法的原理和具体实现。

注：本文基于 `RT-Thread` 的版本为 [RT-Thread v4.0.5 released](https://github.com/RT-Thread/rt-thread/releases/tag/v4.0.5)， 其发布于 `2021-12-31`。

首先，RT-Thread 中定义了一个双向链表数组 `rt_thread_priority_table`，用来挂载就绪的线程，代码如下所示：

```c
/* Double List structure*/
struct rt_list_node
{
    struct rt_list_node *next;                          /**< point to next node. */
    struct rt_list_node *prev;                          /**< point to prev node. */
};
typedef struct rt_list_node rt_list_t;                  /**< Type for lists. */

rt_list_t rt_thread_priority_table[RT_THREAD_PRIORITY_MAX]; //线程优先级双向链表数组
```

其实实现的就是如下的结构：

![image-20220103213637348](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220714/833218460af2e4da3fcc93a36545fd251e329b55.png)

其中 `RT_THREAD_PRIORITY_MAX` 代表的是该系统配置的优先级数目，`RT-Thread` 的调度算法只支持 `RT_THREAD_PRIORITY_MAX <= 256`，这个数目绝对够绝大多数的项目需求了。而 `rt_thread_priority_table[RT_THREAD_PRIORITY_MAX]` 这个数组从 `0` 到 `RT_THREAD_PRIORITY_MAX-1`的数组元素则是分别对应任务的优先级从 `0` 到 `RT_THREAD_PRIORITY_MAX-1`。

当有线程就绪时，线程会挂载到其优先级对应的线程优先级表(`rt_thread_priority_table`)元素的位置，假设现在有两个线程，分别是优先级为 `0` 的 `thread1` 和优先级为 `1` 的 `thread2`，当它们都进入就绪状态等待调度时，效果如下：

![image-20220103215951735](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220714/769ae4b49d18b87433192a230ef5a96b6f6aae71.png)

此时问题来了，当任务们都进入就绪状态，挂载在这个线程优先级表(`rt_thread_priority_table`)上时，我们如何查找到所有就绪任务中拥有最高优先级的那个呢？

首先，我们想到可以从线程优先级表(`rt_thread_priority_table`)的位置 `0` 开始查找，一旦发现哪个位置有挂载线程，则说明该优先级下有对应的任务就绪了，执行该线程即可。当下一次调度任务时，又按刚才的步骤从 0 开始查找即可，这不失为一个能解决问题的方法。

但是细细想来，如果就绪任务中的最高优先级比较靠后，这样的查找算法几乎要遍历一遍，明显很耗时间，一点都配不上实时操作系统（`RTOS`）中 “实时”这两个字。

为了更高效地调度任务，`RT-Thread` 使用了线程就绪表（`rt_thread_ready_table`）映射来实现的，简单的说，就是维护一个记录已就绪任务的表，通过查找这个表，我们就能够知道当前就绪任务中最高优先级的任务是哪一个，然后直接执行该优先级下的任务即可。

![image-20220103223504419](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220714/f03d10fc4d3afd2215fe3b10b02b89718c9d94db.png)

具体来说，这个线程就绪表（`rt_thread_ready_table`）的位数和优先级是一一对应的，当这个表的某一位为1时，代表这个优先级下有任务就绪。

`RT-Thread` 作为多任务调度系统，各个任务由于外部条件的触发，要经常在就绪状态和非就绪状态中切换（对应到数据结构就是：任务的双向指针插入或者脱离 `rt_thread_priority_table` ），所以作为映射的线程就绪表（`rt_thread_ready_table`）也要根据任务们的状态随时更新，对应到这个表，无非就是当某个优先级下没有任务时，将这个表对应的位清0，当有任务挂载在该优先级下时，将这个就绪表的位置1。

我们通过这个表，能够在 O(1) 的时间复杂度上找到最高优先级的任务，实现了快速地调度最高优先级任务。在切换任务的状态时，实时更新这张表的内容，确保线程就绪表（`rt_thread_ready_table`）和线程优先级表(`rt_thread_priority_table`)相互对应的结果是正确的。

接下来到了 show the code 时间了，可能会耗点脑细胞了。

# 二、实现细节

先来看看线程就绪表（`rt_thread_ready_table`）的代码实现形式：

```c
/* 线程优先级就绪组，当RT_THREAD_PRIORITY_MAX<=32时，每一位直接对应32个优先级，否则分别映射到rt_thread_ready_table）*/
rt_uint32_t rt_thread_ready_priority_group;
#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32
/* Maximum priority level, 256 */
rt_uint8_t rt_thread_ready_table[32];//对应 32*8(位) = 256个优先级
#endif
```

根据 `RT_THREAD_PRIORITY_MAX`  这个宏定义的不同，线程就绪表（`rt_thread_ready_table`）的实现方式有两种：

- 当优先级数量小于等于 `32` 时，定义一个 `32` 位的变量 `rt_thread_ready_priority_group` 即可实现线程就绪表，实现起来最简单，省空间、省时间（查找效率会提高）。所以如果不需要太多的优先级，建议优先级数量设置到小于等于 `32`。

- 对应于RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32的情况，你可以想象目的是想要一个数据长度为 `256` 位的变量，奈何目前跑 `RTOS` 的MCU大多是 `32` 位的，所以这里只能采取这种折中的方式，相当于是双重映射实现出了那个梦寐以求的数据长度为 `256` 位的变量。

在谈到具体如何使用、更新线程就绪表（`rt_thread_ready_table`）之前，看看具体某个优先级任务的结构体有哪些是和调度算法相关的。如下是任务线程的结构体的定义，我将无关的变量删除，只留下所有相关的变量：

```c
/**
 * Thread structure
 */
struct rt_thread
{
    .......
        
    rt_list_t   tlist;        /**< the thread list 用于挂载在线程优先级表中*/

/* priority */
    rt_uint8_t  current_priority;       /**< current priority 当前优先级*/
    rt_uint8_t  init_priority;          /**< initialized priority 初始优先级*/
#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32
    rt_uint8_t  number; 	//标记为是rt_thread_ready_table[32]中的哪个元素
    rt_uint8_t  high_mask;  //具体元素对应的掩码,用于加快操作速度
#endif
    rt_uint32_t number_mask; //rt_thread_ready_priority_group对应的掩码，用于加快操作速度

.......
};
typedef struct rt_thread *rt_thread_t;
```

简单提及一个这里的掩码的作用，目的是为了方便后面对线程优先级就绪表进行操作。举个例子，假设有一个优先级(`priority`)为 `20` 的任务，那么其对应的线程结构的掩码情况如下：

对于 `RT_THREAD_PRIORITY_MAX <= 32`：

> number_mask = 1<<20(priority);  即number_mask：000100000000000000000000，就是让 number_mask 的第 19 位为1。

话说回来，为什么要设置 `number_mask` 这个变量呢？遇到要使用这个变量的时候直接使用 `1<<priority` 代替 `number_mask` 不就可以了吗？其实也不是不可以，只是这样使用的话，需要多进行一次位移操作，这其实也是一种用空间换时间的策略，付出一个变量的代价获取更快的运算速度，增加了实时系统的调度任务的速度，也算是有利于系统的实时性。

对于 `RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32`，原理是一样的，就不赘述了。

RT-Thread是如何初始化上述的变量的呢？

在线程的初始化函数中（无论是动态创建线程还是静态初始化线程），根据传入的优先级参数进行操作，主要是用作初始化：

```c
rt_err_t _thread_init(...,priority)
{
    ......
        
	/* priority init */
    RT_ASSERT(priority < RT_THREAD_PRIORITY_MAX);
    thread->init_priority    = priority;
    thread->current_priority = priority;

thread->number_mask = 0;
#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32
    thread->number = 0;
    thread->high_mask = 0;
#endif
    
    ......
}
```

当启动线程时，更新线程对应的数据：

```c
rt_err_t rt_thread_startup(rt_thread_t thread)
{
    ......
        
	/* calculate priority attribute */
#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32
    thread->number      = thread->current_priority >> 3;      /* 相当于除以8，得到对应所处的是哪个数组 */
    thread->number_mask = 1L << thread->number;				  /* 得到对应所处的数组位置的掩码 */
    thread->high_mask   = 1L << (thread->current_priority & 0x07);  /* 具体到对应的数组元素的掩码 */
#else
    thread->number_mask = 1L << thread->current_priority;	/* 掩码 */
#endif 
    ......
}
```

一切准备就绪，接下来看看当调度器调度任务时是怎么操作优先级就绪表的。

## 2.1、如何查找当前就绪任务中的最高优先级

其实就是查找优先级就绪表最靠近前面的1所处的位置，每次进行任务调度的时候会用到这个表去获得最高优先级，然后根据最高优先级得到此时就绪的最高优先级线程。

```c
//该函数用于获取当前已就绪的最高优先级任务
static struct rt_thread* _scheduler_get_highest_priority_thread(rt_ubase_t *highest_prio)
{
	......
        
#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32
    register rt_ubase_t number;
	//得到是数组rt_thread_ready_table的哪个元素
    number = __rt_ffs(rt_thread_ready_priority_group) - 1;
    //右移3位则是*8的意思，得到该数组的基地址，最后加上在该组的位置，就可以得到真正的优先级
    highest_ready_priority = (number << 3) + __rt_ffs(rt_thread_ready_table[number]) - 1;
#else
    //直接得到具体的优先级
    highest_ready_priority = __rt_ffs(rt_thread_ready_priority_group) - 1;
#endif /* RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32 */
    
	......
}
```

重点说一下这里的 `__rt_ffs()`  函数，该函数实现的功能：得到传入的 `32` 位变量中 `1` 所在的最低位位置，也就是所谓的实现查找字节最低非0位。该函数能够在 O(1)的时间复杂度下实现查找到最低优先级，其使用的是位图查找算法，还是挺精妙的，由于篇幅有限，请移步到这篇文章：[《RT-Thread的位图调度算法分析（最新版）》](https://www.cnblogs.com/shirleyxu/p/9468080.html)。

## 2.2、当任务就绪时，如何更新线程就绪列表？

如果某个任务就绪，根据该任务的优先级更新线程就绪表`rt_thread_ready_table`对应位置。

```c
//该函数用于将新的任务加入就绪状态
void rt_schedule_insert_thread(struct rt_thread *thread)
{
	......
        
#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32
    rt_thread_ready_table[thread->number] |= thread->high_mask; //让对应的优先级所在分组的具体位置1，表明就绪
#endif
    rt_thread_ready_priority_group |= thread->number_mask; //让对应的优先级所在分组位置置1
    
    ......
}
```

## 2.3、当任务脱离就绪状态时，如何更新线程就绪列表？

当某个任务脱离就绪状态时（被删除、挂起等），我们也需要更新更新线程就绪表`rt_thread_ready_table`，由于RT-Thread支持多个任务可以拥有相同的优先级，所以我们在更新线程就绪表`rt_thread_ready_table`需要考虑该优先级下是否有别的任务还处于就绪状态。

```c
//该函数用于将某个任务从就绪状态中移除
void rt_schedule_remove_thread(struct rt_thread *thread)
{
	......
        
    if (rt_list_isempty(&(rt_thread_priority_table[thread->current_priority])))//说明该优先级下没有别的就绪任务了
    {
#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32
        rt_thread_ready_table[thread->number] &= ~thread->high_mask;//让对应的优先级所在分组的具体位 置0，表明脱离就绪状态
        if (rt_thread_ready_table[thread->number] == 0)//当这个数组元素的每个bit都是0，才能够置0，因为可能所处的组还有别的任务就绪
        {
            rt_thread_ready_priority_group &= ~thread->number_mask;//将该表的对应位置清0
        }
#else
        rt_thread_ready_priority_group &= ~thread->number_mask; //将该表的对应位置清0
#endif /* RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32 */
    }
    
    ......
}
```

# 三、一些有用的建议

- 由于代码实现的原因，`RT_THREAD_PRIORITY_MAX`必须配置为小于等于 `256`，否则系统工作会异常。
- 除了空闲任务，每一个优先级任务都应该有让出CPU使用权的操作（暂时脱离就绪状态，比如使用延时），让优先级更低的线程能够有机会执行。
- 如果使用的芯片的资源有限（`RAM`、`ROM`等），建议尽量将 `RT_THREAD_PRIORITY_MAX` 设置小一点，最好是小于等于 `32`，不仅省资源，还能加快调度速度。

# 四、参考资料

- [《RT-Thread的位图调度算法分析（最新版）》](https://www.cnblogs.com/shirleyxu/p/9468080.html)
- [《RT-Thread文档中心 -- 线程管理》](https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/thread/thread?id=线程管理)