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RT Thread 源码分析笔记：线程和调度器

发布于 2025-01-19 12:20:35 浏览：168 订阅该版

[tocm]

rt thread的 commit：9afe6a51826fb84de229de220dab2077aa5734b2。
后面的代码均来源于此。

# 理想场景

看源代码，我习惯从繁抽简。并选择一个简单的场景，看项目在这场景下的执行流会是怎么样的。

以文档的[线程时间片轮转调度示例](https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/thread/thread?id=%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E5%BA%94%E7%94%A8%E7%A4%BA%E4%BE%8B)应用为例。

```Objective-C++
#include <rtthread.h>

#define THREAD_STACK_SIZE   1024
#define THREAD_PRIORITY     20
#define THREAD_TIMESLICE    10

/* 线程入口 */
static void thread_entry(void* parameter)
{
    rt_uint32_t value;
    rt_uint32_t count = 0;

value = (rt_uint32_t)parameter;
    while (1)
    {
        if(0 == (count % 5))
        {
            rt_kprintf("thread %d is running ,thread %d count = %d\n", value , value , count);
            if(count> 200)
                return;
        }
         count++;
     }
}

int timeslice_sample(void)
{
    rt_thread_t tid = RT_NULL;
    /* 创建线程 1 */
    tid = rt_thread_create("thread1",
                            thread_entry, (void*)1,
                            THREAD_STACK_SIZE,
                            THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
    if (tid != RT_NULL)
        rt_thread_startup(tid);

/* 创建线程 2 */
    tid = rt_thread_create("thread2",
                            thread_entry, (void*)2,
                            THREAD_STACK_SIZE,
                            THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE-5);
    if (tid != RT_NULL)
        rt_thread_startup(tid);
    return 0;
}

/* 导出到 msh 命令列表中 */
MSH_CMD_EXPORT(timeslice_sample, timeslice sample);

```

以该应用为例，最小可用的，面向用户的线程接口集是
`rt_thread_init/rt_thread_create ， 
rt_thread_yield,
rt_thread_detach/rt_thread_delete/_thread_exit`。

接下来就会重点关注这五个函数背后的实现，实现中涉及的数据结构（线程和调度器）。
假设硬件架构是单核。
先不考虑锁和中断，而只看调度的实现。

优先级个数为32。

# 数据结构

## 线程

`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)`

从创造的接口可以看出，线程控制块的必备属性是栈的内存空间，名字，入口（任务），以及入口参数， 时间片，优先级。

时间片和优先级被封装在`sched_thread_ctx`对象内。`rt_timer`自然是需要的，作为线程的当前时间。

所以thread有两个对象成员，`sched_thread_ctx`和`rt_timer`，依赖`scheduler`和`timer`这两个模块。

剩余的成员就直属于线程控制块。

## 调度器

调度器相关的数据结构在`scheduler_up.c`文件。

`rt_list_t rt_thread_priority_table[RT_THREAD_PRIORITY_MAX];`

`rt_uint32_t rt_thread_ready_priority_group;`

多个优先级队列，一个优先级代表一个队列。

`rt_thread_ready_priority_group`是多个队列的位图。每个位代表一个队列是否非空。可通过此位图来快速求出等待调度的线程的最高优先级，而不是遍历每个队列判断是否非空。

```Objective-C++
struct rt_sched_thread_ctx
{
    rt_list_t thread_list_node; /**< node in thread list */
    //?? 这个是做什么的？

rt_uint8_t                  stat;                   /**< thread status */
    rt_uint8_t                  sched_flag_locked:1;    /**< calling thread have the scheduler locked */
    rt_uint8_t                  sched_flag_ttmr_set:1;  /**< thread timer is start */

#ifdef ARCH_USING_HW_THREAD_SELF
    rt_uint8_t                  critical_switch_flag:1; /**< critical switch pending */
#endif /* ARCH_USING_HW_THREAD_SELF */

#ifdef RT_USING_SMP
    rt_uint8_t                  bind_cpu;               /**< thread is bind to cpu */
    rt_uint8_t                  oncpu;                  /**< process on cpu */

rt_base_t                   critical_lock_nest;     /**< critical lock count */
#endif

struct rt_sched_thread_priv sched_thread_priv;      /**< private context of scheduler */
};
```

和调度相关的信息被封装成调度上下文。
调度上下文主要有三部分：

用来串到队列里的节点。（区分thread的节点）。

调度时会涉及的信息（如优先级，时间片，剩余时间）。

线程的状态。

stat的0~2位表示线程状态。在这次场景中涉及的状态有：

```Objective-C++
#define RT_THREAD_INIT                       0x00                /**< Initialized status */
#define RT_THREAD_CLOSE                      0x01                /**< Closed status */
#define RT_THREAD_READY                      0x02                /**< Ready status */
#define RT_THREAD_RUNNING                    0x03                /**< Running status */
#define RT_THREAD_STAT_YIELD            0x08                /**< indicate whether remaining_tick has been reloaded since last schedule */
```

# 调用链

## 创建

当创建一个线程时，也会调用scheduler和timer模块的创建方法。

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250119/80347ef2834a1b48f315b7c7ba9886d9.png.webp)

最后线程状态处于init状态。

线程模块会把线程控制块加入对应的内核容器。

调度器模块则不会加入任何队列。
初始化栈时会配置一个caller栈，父函数是实现回收thread的`_thread_exit`。

## 启动

这里完全就是调度器模块的主场。

调度器模块会先把线程的调度上下文修改为挂起状态，（不加入任何挂起队列！）

再把线程的调度上下文修改为就绪状态。

最后在rt_schedule进行调度。

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250119/af19f8b6950162402e841292f50a5390.png.webp)

## 调度

当线程的时间片用完，中断handler会调用`rt_thread_yield`。

和启动一节类似。

先让调度上下文的状态附带一个`RT_THREAD_STAT_YIELD`。在`rt_schedule`中作为调度的一个依据。

最后开始调度。

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250119/2229dca51a7d4bd056252186c615cf59.png.webp)

## 调度策略

根据`rt_schedule`，`rt_sched_insert_thread`可知，调度策略是无论在任何情况，先选择优先级最高的线程，在同样优先级的多个线程中，按先来先服务进行调度。

当线程因其他原因而被中断，回到就绪队列时，会放到就绪队列的头部，即下次调度优先考虑此线程。

## 回收

`delete`和`detach`的函数实现都一样的。
调度器模块只是让调度上下文脱离当前队列，修改调度上下文的状态为close。

线程模块再让其线程加入defunct队列，再等空闲线程做回收/释放工作。这样做可以确保线程任务的实时性。

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250119/6fd3e120bf3299015d3bd0cc44bdb173.png.webp)

当线程执行完毕后会跳到`_thread_exit`函数。其实现就是*thread_*detach，只不过多了一步调度。

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250119/0a30874f30e1143b80f989580aefc573.png.webp)

# 涉及硬件的功能

`rt_hw_stack_init`，`rt_hw_context_switch`

初始化线程时需要初始化栈，涉及到栈的布局，而调度需要进行上下文切换，涉及到CPU和寄存器。这两者是依赖芯片架构的功能。具体实现在`libcpu`目录

# 小疑惑

这里的注释考虑的不全面。因为目标线程状态可能是close，ready，init，suspend。这就意味着调度上下文可能在多个队列里，也有可能不在队列里。

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250119/101c1716243d042fbe2962df04c8a60a.png.webp)

在`rt_scheduler`，不太懂为什么要声明个flag，直接判断from和to线程是否相等就行了呀。

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250119/a9411065b2f48723f28c9155c29e0d14.png.webp)

# todo：

- [ ] 哪些临界区需要考虑锁和中断的影响？

- [ ] 第一个线程的创建过程

- [ ] 多核调度和单核调度的区别？

- [ ] 了解从接收到定时器中断到开始调度的过程

# 收尾

可以看到rt thread是相当模块化的。相关的状态改动由对应的模块进行改动。哪怕是调度和线程这两个紧密相关的部分，也进行了隔离。

回到
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