RT-Thread操作系统的调度设计原理

要想使用好RTOS，做出更加稳定可靠的产品，必须非常清楚底层的调度原理。由于RTOS的实时性与可控性，所以只有了解了其核心部分的设计思想，才能用起来得心应手，游刃有余。本文从RT-Thread的调度器设计的运行方式上解释一下调度器的行为，从而更加深刻的理解RT-Thread操作系统的调度时机。

1.调度是什么？

调度一般就是合理的安排、协调资源，统一指挥去完成一件事，而在操作系统中，线程调度就是有多个就绪优先级的任务，找到最高优先级任务，交给CPU去运行。

RT-Thread 调度器就是起到判决线程当前的优先级，然后选择当前系统中最高优先级的就绪态的线程交给CPU去管理。

调度又可以细分为两种。可打断调度:关键防止优先级倒置;不可打断调度:先来先服务,不可中断。RT-Thread 属于实时操作系统，所以其调度器实现的是可打断的调度,当有更高优先级的线程或者更重要的任务就行，则可以打断当前任务的执行状态，去执行优先级更高的任务。那么此时，调度的时机就非常的关键了。

2.调度怎么实现？

RT-Thread在创建任务的时候，会指定任务的优先级，一般来说，每个任务都有自己特定的唯一的优先级。所以内核线程对象中有不同的优先级的任务列表。

如果最大指定为32个优先级，那么可以用32位数据类型表示，每一个bit表示一个优先级就绪的状态。使用位图的优点就是速度快，而且内存占用小。

一般来说，调度去找到最高优先级的任务时，就需要去做判断。如何去找到最高优先级的任务。一般来说，有两种办法：

软件计算

硬件计算

这两种的差别仅仅在于计算效率的问题，本质目的并无差别。

而用软件计算方法寻找最高优先级有两种实现的策略：

1.遍历就绪的队列，找到最小的优先级就绪的队列，寻找的时间不确定，时间复杂度O(n)。

2.采用空间换时间的办法，事先做好一个bitmap

例如系统中最大有8个优先级，那么bitmap如下：

 1const rt_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};

一般每一位代表一个就绪的状态，所以__rt_ffs程序的设计如下

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

如果当前系统的线程状态为0b0110 0000，那么转换成十六进制就是0x60，根据表中的状态此时的最高优先级是5+1=6。所以可以得出系统的优先级，此时计算的复杂度为O(1)。

虽然 RT-Thread 是支持同等优先级的，但是在具体的业务逻辑的设计中，在使用RTOS常用的设计方法中，一般都是要求程序的运行逻辑是可预测的，就是在程序执行的过程中，可以预测到程序下一步的动作。所以rtos中同等优先级，按照时间片轮训的这种方式设计业务逻辑的情况并不多。使用相同优先级会增加系统的业务逻辑的复杂性。

3.什么时候系统做调度？

RT-Thread 是抢占式的系统调用，所以系统什么时候去做的调度非常的关键。系统调度行为具体又分为主动调度和被动调度两种。

3.1 任务主动block

当A线程在正常运行时，主动放弃CPU的使用权，比如去执行rt_thread_delay或者等待一个IPC消息时，当前线程会主动放弃CPU资源，此时去系统中寻找已经就绪的最高优先级的线程进行调度。

这种方式应用的场景比较丰富，比如当前线程没有获取到资源时，需让出CPU的使用权，或者事情做完了，主动让出CPU的使用权，这就是系统做调度的时机。

A线程的优先级要高于B线程的优先级，所以在A放弃CPU使用权后，已经就绪的最高优先级线程B就开始执行了。

3.2 被更高优先级的任务唤醒

这种方式就是当比当前运行线程的优先级高的线程处于就绪态时，高优先级的就绪态线程会被唤醒，低优先级线程将暂停运行，此时会调度到比当前线程更高的优先级线程中去。

按照理解A线程是正在运行的线程，此时更高任务优先级的线程C就绪处于就绪状态了。比如创建了一个比A优先级更高的C进程，并startup C线程，此时会执行rt_schedule()将线程切换到优先级更高的C线程。此时A线程运行状态以及处理器寄存器状态压栈，更高优先级的C线程的状态以及处理器寄存器状态出栈，并且开始运行C线程。

3.3 yield放弃cpu使用

首先理解一下什么是yield，解释成让出，放弃比较合理。该出让只针对于同等优先级的线程。

这种情况只适用于A线程的优先级等于B线程的优先级的情况。因为RTT支持同等优先级的方式创建线程，相同的优先级的切换是靠时间片轮询来进行的。所以，当A线程正常运行的时候，如果执行了yield函数，那么只相当于将A线程的时间片消耗完，此时同等优先级的D线程开始运行。 由于在RTOS中，需要的是完成任务的确定性与可靠性，同等优先级的情况比较有限，所以这一块应用的不多。

3.4 中断中执行调度

以上的三种属于主动进行调度的过程，其系统的执行流程都是可以预测的，但是中断去执行调度却是比较特殊。是被动调度。

这种方式是在中断中执行调度的，当A线程正常运行时，此时来了一个中断，由于中断的优先级是高于线程的。所以，中断处理事情，如果在中断中执行了调度函数，那么在中断退出后，将直接切换到当前系统中更高优先级的线程去运行。如果如果当前系统的最高优先级还是A，那么中断退出后，执行的最高优先级线程依然是A。若存在线程E线程优先级高于A并且处于就绪状态，此时，中断退出后，切换到E线程去执行。

4.调度做了哪些事情？

系统进行调度的时候做了哪些事情？

第一步：查找当前系统中当前以及就绪的最高优先级的线程，若有高于当前运行系统运行的线程栈则执行线程切换

第二步：关闭中断，将系统当前运行状态以及处理器的寄存器压入栈空间

第三步：找到需要运行的线程的PC指针，并找到栈起始处弹出栈空间中的寄存器状态

第四部：打开中断，执行异常ret，让系统恢复执行

此时，就切换到已经就绪的更高优先级的线程去运行了。

5.总结

RT-Thread 线程的调度器是整个系统的灵魂，整个操作系统在运行过程中何时切换线程、什么情况下去处理任务，以及做更高效的业务逻辑的应用都离不开系统调度。掌握了调度器运行的规律，并且合理的使用线程调度时机，可以设计出更加稳定可靠的产品。通过阅读代码，就能预测程序下一步的执行动作。真正的做到手中有粮，心中不慌。