RT-Thread內(nèi)核對象管理器設(shè)計(jì)思路

［導(dǎo)讀］ 前面寫了些文章分享C語言面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的一些個(gè)人體會(huì)，個(gè)人認(rèn)為RT-Thread內(nèi)核對于面向?qū)ο髮?shí)現(xiàn)思想是一個(gè)非常好的設(shè)計(jì)。向這些在基礎(chǔ)軟件上深耕的國人大牛們致敬。本文基于學(xué)習(xí)RT-Thread內(nèi)核設(shè)計(jì)的初衷，來分享一下個(gè)人對于其內(nèi)核對象子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理解與體會(huì)。在此，也給各位RT-Thread原創(chuàng)大牛們打call，分享本文也期望有更多的盆友去學(xué)習(xí)并使用RT_Thread。

RT-Tread內(nèi)核架構(gòu)RT-Thread，全稱是 Real Time-Thread，顧名思義，它是一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)多線程操作系統(tǒng)，基本屬性之一是支持多任務(wù)，允許多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行并不意味著處理器在同一時(shí)刻真地執(zhí)行了多個(gè)任務(wù)。其內(nèi)核架構(gòu)如下圖所示：

RT-Thread 內(nèi)核及底層結(jié)構(gòu)

對于各部分的功能，這里不做展開描述。RT-Tread內(nèi)核吸引我的方面：

代碼優(yōu)雅、可讀性非常高

體積小巧、代碼類Linux風(fēng)格，可裁剪

社區(qū)活躍，國人自主開發(fā)，用戶越來越多

優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，對于面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思想可以說是非常優(yōu)秀的實(shí)踐

主要定位于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，各種組件豐富，融合的也很好。

所以如果是RTOS應(yīng)用或者開發(fā)從業(yè)者，面對這么優(yōu)秀且比較容易深入學(xué)習(xí)的內(nèi)核，如果不去好好讀讀，實(shí)在有點(diǎn)可惜。要去體會(huì)RT-Thread對象設(shè)計(jì)思想，從其對內(nèi)核對象object的管理入手，不失為一個(gè)非常好的切入點(diǎn)。

什么是RT-Thread內(nèi)核對象管理？RT-Thread 采用內(nèi)核對象管理系統(tǒng)來訪問 / 管理所有內(nèi)核對象，內(nèi)核對象包含了內(nèi)核中絕大部分設(shè)施，這些內(nèi)核對象既可以是靜態(tài)分配的靜態(tài)對象，也可以是從系統(tǒng)內(nèi)存堆中分配的動(dòng)態(tài)對象。通過這種內(nèi)核對象的設(shè)計(jì)方式，RT-Thread 做到了不依賴于具體的內(nèi)存分配方式，系統(tǒng)的靈活性得到極大的提高。

RT-Thread 內(nèi)核對象包括：線程，信號量，互斥量，事件，郵箱，消息隊(duì)列和定時(shí)器，內(nèi)存池，設(shè)備驅(qū)動(dòng)等。對象容器中包含了每類內(nèi)核對象的信息，包括對象類型，大小等。對象容器給每類內(nèi)核對象分配了一個(gè)鏈表，所有的內(nèi)核對象都被鏈接到該鏈表上，如圖 RT-Thread 的內(nèi)核對象容器及鏈表如下圖所示：

RT-Thread 的內(nèi)核對象容器及鏈表

這個(gè)集中管理的內(nèi)核對象容器在內(nèi)存的開銷方面代價(jià)很小，但卻具有高度的靈活性，從設(shè)計(jì)的角度看其代碼也非常利于擴(kuò)展，增加新的內(nèi)核對象類別，以及對于相應(yīng)的內(nèi)核對象功能的裁剪適配。

內(nèi)核對象主要干什么？RT-Thread內(nèi)核對象子系統(tǒng)其主體實(shí)現(xiàn)代碼為object.c，本文嘗試從整體到局部來嘗試解讀其設(shè)計(jì)思想。object.c這個(gè)子系統(tǒng)從外部以黑盒的角度看，就個(gè)人理解主要實(shí)現(xiàn)了這樣些用例需求：

所以個(gè)人理解內(nèi)核對象管理器，主要是為其他內(nèi)核功能模塊提供數(shù)據(jù)管理支撐，屬于內(nèi)核底層支持功能組件，并從設(shè)計(jì)上兼顧了可擴(kuò)展、可裁剪的需求。

怎么實(shí)現(xiàn)的呢？RT-Thread內(nèi)核對象子系統(tǒng)其主要核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

其中rt_object_class_type枚舉定義內(nèi)核對象類別：

enum rt_object_class_type{ RT_Object_Class_Null = 0， /* 未使用 */ RT_Object_Class_Thread， /* thread對象 */ RT_Object_Class_Semaphore， /* semaphore對象 */ RT_Object_Class_Mutex， /* mutex對象 */ RT_Object_Class_Event， /* event對象 */ RT_Object_Class_MailBox， /* mail box對象 */ RT_Object_Class_MessageQueue， /* message queue */ RT_Object_Class_MemHeap， /* memory heap */ RT_Object_Class_MemPool， /* memory pool */ RT_Object_Class_Device， /* device對象 */ RT_Object_Class_Timer， /* timer對象 */ RT_Object_Class_Module， /* module */ RT_Object_Class_Unknown， /* unknown */ RT_Object_Class_Static = 0x80 /*8位類型變量高位置1表示靜態(tài)對象 */};

而rt_object_information則抽象了對象類型，加入了一個(gè)雙向鏈表指針數(shù)據(jù)域rt_list_node，從而將同類別的內(nèi)核對象利用該雙鏈指針鏈接起來，這些同類別的內(nèi)核對象具有如下可能的特點(diǎn)：

可能在軟件運(yùn)行時(shí)生成，也可能在os初始化創(chuàng)建。

其存儲(chǔ)類型可能為靜態(tài)類型，也可能為動(dòng)態(tài)類型（所謂動(dòng)態(tài)類型這里是確指在內(nèi)核堆上動(dòng)態(tài)申請的內(nèi)存區(qū)域用于存儲(chǔ)相應(yīng)的內(nèi)核對象）。

在內(nèi)存空間中，其位置并不連續(xù)。

如此以來，將這些內(nèi)核對象在空間上不連續(xù)的變量，利用鏈表形成了可統(tǒng)一管理、可增可刪、可檢索的邏輯結(jié)構(gòu)。

而rt_object_container內(nèi)核容器，其本質(zhì)是一個(gè)內(nèi)核對象索引表，主要集中管理了下面的信息：

enum rt_object_class_type type：內(nèi)核對象類別，每項(xiàng)表記錄條目的類別

rt_list_t object_list：每類對象鏈表的頭結(jié)點(diǎn)的鏈表指針數(shù)據(jù)域

rt_size_t object_size：該類個(gè)體的大小

利用宏將相應(yīng)的鏈表進(jìn)行選編譯，在內(nèi)核關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行了裁剪管理。而對于內(nèi)核本身的擴(kuò)展性而言，如果需要增加新的內(nèi)核功能，可以方便的增加新的內(nèi)核對象類，并能方便的加入到這個(gè)內(nèi)核對象容器中，利用公共的對外接口，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，而不必對數(shù)據(jù)管理層進(jìn)行額外的接口設(shè)計(jì)。

實(shí)現(xiàn)了哪些對外接口呢？有了這樣一個(gè)優(yōu)雅的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，那么基于這樣一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相應(yīng)就很容易實(shí)現(xiàn)其內(nèi)核對象集中管理的對外服務(wù)接口，那么其主要的服務(wù)接口有哪些呢？

其中一部分主要接口實(shí)現(xiàn)對象的增加刪除檢索等，這里以rt_object_init接口為例，來簡要分析一下其實(shí)現(xiàn)：

void rt_object_init（struct rt_object *object， enum rt_object_class_type type， const char *name）{ register rt_base_t temp; struct rt_list_node *node = RT_NULL; struct rt_object_information *information;#ifdef RT_USING_MODULE struct rt_dlmodule *module = dlmodule_self（）;#endif /*1. 在容器中找到這是什么對象類*/ information = rt_object_get_information（type）; RT_ASSERT（information ！= RT_NULL）; /* check object type to avoid re-initialization */ /* 進(jìn)入臨界區(qū)保護(hù) */ rt_enter_critical（）; /* try to find object */ for （node = information-》object_list.next; node ！= &（information-》object_list）; node = node-》next） { struct rt_object *obj; obj = rt_list_entry（node， struct rt_object， list）; if （obj） /* skip warning when disable debug */ { RT_ASSERT（obj ！= object）; } } /* 離開臨界區(qū) */ rt_exit_critical（）; /* 初始化對象參數(shù)，并置為靜態(tài)標(biāo)記 */ object-》type = type | RT_Object_Class_Static; rt_strncpy（object-》name， name， RT_NAME_MAX）; RT_OBJECT_HOOK_CALL（rt_object_attach_hook， （object））; /* 禁止硬件中斷 */ temp = rt_hw_interrupt_disable（）;#ifdef RT_USING_MODULE if （module） { rt_list_insert_after（&（module-》object_list）， &（object-》list））; object-》module_id = （void *）module; } else#endif { /* 對象插入容器中相應(yīng)對象分支鏈連 */ rt_list_insert_after（&（information-》object_list）， &（object-》list））; } /* 開硬件中斷 */ rt_hw_interrupt_enable（temp）;}

對于內(nèi)核對象增加刪除其主要就是利用內(nèi)核容器首先檢索到鏈表頭結(jié)點(diǎn)，然后再進(jìn)一步做雙向鏈表的基本操作，這里對于具體如何操作鏈表就不做展開贅述了。

對于內(nèi)核對象相關(guān)數(shù)據(jù)域的檢索、查詢有了明確的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及能檢索到結(jié)點(diǎn)鏈表指針，由于結(jié)點(diǎn)鏈表指針與相應(yīng)內(nèi)核對象各數(shù)據(jù)域具有確定的相對位置關(guān)系，所以檢索而言是非常易于實(shí)現(xiàn)的。

而對于動(dòng)態(tài)內(nèi)核對象而言，其差異在于內(nèi)核對象本身是動(dòng)態(tài)申請的，這里需要注意的是向內(nèi)核堆申請的，而不是C堆申請的，至于什么是內(nèi)核堆，以及為什么要設(shè)計(jì)內(nèi)核堆，之前有寫過一篇文章分享，有興趣可以去看看。

內(nèi)核對象有什么相互繼承關(guān)系？RT-Thread管網(wǎng)上給出了這樣一個(gè)相互關(guān)系圖：

RT-Thread 內(nèi)核對象繼承關(guān)系

如果不去具體看相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，或許不易理解為啥有這樣一張圖。這里以上圖中其中幾個(gè)內(nèi)核對象來擼一擼其相互關(guān)系：

或許有盆友會(huì)問，為啥rt_thread對象中明明沒有直接包含rt_object，那為啥說rt_thread也是繼承自rt_object呢？如果你細(xì)看看上圖rt_thread中紅框框出來的數(shù)據(jù)域就恍然大悟了，即便沒有直接包含，但在內(nèi)存中框里的內(nèi)容就是rt_object的數(shù)據(jù)內(nèi)容，所以利用指針轉(zhuǎn)換就可以方便訪問了，至于為什么是這樣？我想可能是歷史原因吧？所以rt_thread結(jié)構(gòu)體前面幾個(gè)數(shù)據(jù)域的位置是不可以修改的。這里還有盆友可能會(huì)問為什么ipc線程通信相關(guān)內(nèi)核對象需要單獨(dú)拎出來一個(gè)父結(jié)構(gòu)體呢？我想應(yīng)該是此類具有相同的一些共性，具有一些類似的特點(diǎn)。這也是對象設(shè)計(jì)提取共性進(jìn)而抽象封裝的一個(gè)體現(xiàn)。

總結(jié)一下本文大致學(xué)習(xí)總結(jié)了一下RT-Thread內(nèi)核對象子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路的理解，從這里個(gè)人總結(jié)了一些啟示：

軟件是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法，而良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是優(yōu)雅算法的基礎(chǔ)，所以在工程開發(fā)中，如何設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象是一個(gè)可以深入挖掘的話題

RT-Thread的內(nèi)核對象設(shè)計(jì)個(gè)人認(rèn)為非常易于理解，也是一個(gè)最佳實(shí)踐。如有興趣可以細(xì)細(xì)體會(huì)，多多揣摩。

責(zé)任編輯：haq