RT-Thread多線程學(xué)習(xí)后的總結(jié)

多線程是實(shí)時操作系統(tǒng)里面最重要的知識點(diǎn)之一，要學(xué)習(xí)RTOS，多線程是必須（沒錯，是必須）要熟練掌握的內(nèi)容，只有熟練掌握多線程的使用，才能在平時的項(xiàng)目工作里面用好實(shí)時操作系統(tǒng)。

關(guān)于多線程的使用和管理，RT-Thread官方提供了比較豐富的文檔作為參考，具體內(nèi)容可以查看以下鏈接：

https://www.rt-thread.org/document/site/programming-manual/thread/thread/

本文是對RT-Thread多線程學(xué)習(xí)后的總結(jié)，并嘗試從如圖所示的以下幾個方面進(jìn)行總結(jié)。

什么是多線程？

在單片機(jī)上學(xué)習(xí)RT-Thread的多線程之前，要先把“進(jìn)程”這個概念先放一邊，因?yàn)閱纹瑱C(jī)是沒有多進(jìn)程概念的。單片機(jī)運(yùn)行操作系統(tǒng)，不管多少個任務(wù)，他們都是多個（或單個）線程之間進(jìn)行處理這些任務(wù)，單片機(jī)一般不涉及多進(jìn)程。

什么是多線程？在哪些情況下要用到多線程？先來舉一個音樂播放器的例子，這個音樂播放器要做以下這些基本的工作：讀取音樂文件并播放、讀取歌詞并顯示、讀取MV文件并播放。

如果這三個基本的工作不用多線程來完成，單片機(jī)使用裸機(jī)的方式去做這三個工作的話，必然會造成音樂播放卡頓，歌詞顯示不同步，MV視頻播放與音樂不同步。

因?yàn)閱纹瑱C(jī)做這三件事情的時候，是Step by Step的，必須完成一件事情之后，再去做下一件事情，這三件事情是有先后順序的，并且不斷循環(huán)重復(fù)，如下圖所示。

而如果采用多線程這種方式來完成這個工作，這個過程就變得相對簡單了，比如針對音樂播放器這個場景，可以設(shè)計(jì)這幾個線程來處理：音樂文件讀取線程，歌詞文件讀取線程，MV文件讀取線程，音視頻和歌詞顯示線程。

（此處只為舉例描述多線程的概念，不考慮音視頻編解碼的復(fù)雜過程，不考慮線程同步，實(shí)際上音樂播放器的實(shí)現(xiàn)比此處描述更復(fù)雜）

音樂文件讀取線程只負(fù)責(zé)從磁盤讀取音樂文件，歌詞文件讀取線程和MV文件讀取線程也是同樣的道理，它們只做文件讀取工作，而音視頻和歌詞顯示線程，是負(fù)責(zé)把讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。這幾個線程的工作過程，如下圖所示。

如上圖所示，這幾個任務(wù)看上去是“同時”進(jìn)行的，每個任務(wù)都只完成自己的事情，通過多線程，就可以把原本串行完成的任務(wù)改為并行完成，大大提高了工作效率。

所以，通俗地對多線程進(jìn)行理解，就是把一個比較大型的任務(wù)，拆分為多個小型的任務(wù)，然后通過合理的調(diào)度方式，讓這幾個小型的任務(wù)“同時”運(yùn)行，當(dāng)這幾個小型任務(wù)完成后，大型的任務(wù)也隨之完成，這樣可以大大提高任務(wù)的完成效率。

多線程的幾種狀態(tài)

對于運(yùn)行RT-Thread操作系統(tǒng)，線程都處于以下五種狀態(tài)的其中一種（初始狀態(tài)、就緒狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、掛起狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)），通過調(diào)用操作系統(tǒng)提供的接口函數(shù)，可以讓線程在這五種狀態(tài)中進(jìn)行來回切換。

關(guān)于這五種線程狀態(tài)的描述，如下表所示：

多線程的API函數(shù)

如上圖的狀態(tài)機(jī)所示，多線程可以通過調(diào)用系統(tǒng)提供的函數(shù)接口，在多個狀態(tài)之間進(jìn)行切換。這些API函數(shù)在官方提供的參考文檔里面都有詳細(xì)的說明描述，以下列舉一些比較常用的函數(shù)接口。

上下滑動查看 API 函數(shù)

多線程的應(yīng)用示例

多線程的應(yīng)用示例，主要是為了驗(yàn)證以上的多線程API接口函數(shù)，并且通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察多線程的運(yùn)行情況，主要有以下三個示例：

示例源碼下載鏈接：

https://github.com/embediot/rtthread_study_notes

1、線程動態(tài)創(chuàng)建與靜態(tài)創(chuàng)建、線程退出示例。

這個示例主要是通過動態(tài)方式創(chuàng)建線程1，,通過靜態(tài)方式創(chuàng)建線程2，線程1的優(yōu)先級比線程2的優(yōu)先級低，因此可以被線程2搶占。線程2運(yùn)行10次后就會主動退出，初始化代碼如下圖所示。

2、相同優(yōu)先級線程的時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度示例。

這個示例主要是通過動態(tài)方式創(chuàng)建線程1和線程2，這兩個線程都是相同的優(yōu)先級，并且共用一個線程入口函數(shù)，主要是通過傳入不同的線程參數(shù)以區(qū)分線程1和線程2。線程2運(yùn)行所占用的時間片比線程1要少，因此線程2運(yùn)行的時間比較短，初始化代碼如下圖所示。

3、線程調(diào)度器的鉤子函數(shù)使用示例。

這個示例主要測試了線程在進(jìn)行調(diào)度時，關(guān)于鉤子函數(shù)的調(diào)用情況。通過線程調(diào)度器的鉤子函數(shù)，打印出線程間的切換信息，初始化的代碼如下圖所示。

多線程應(yīng)用的注意事項(xiàng)

在使用RT-Thread實(shí)時操作系統(tǒng)進(jìn)行多線程應(yīng)用開發(fā)的時候，應(yīng)該要注意以下事項(xiàng)：

1、RT-Thread的線程調(diào)度器是搶占式的，也就是能夠保證就緒隊(duì)列里面，最高優(yōu)先級的任務(wù)總能獲得CPU的使用權(quán)，在任務(wù)設(shè)計(jì)的時候，要充分考慮好任務(wù)的優(yōu)先級。

2、在硬件中斷服務(wù)程序運(yùn)行期間，如果有高優(yōu)先級的任務(wù)就緒，那么被中斷的低優(yōu)先級任務(wù)將被掛起，高優(yōu)先級的任務(wù)將會獲得CPU的使用權(quán)。

3、每個線程都有獨(dú)立的線程棧，用來保存線程調(diào)度時上下文的信息，因此在創(chuàng)建線程分配?？臻g的時候，要充分考慮棧的大小。

4、在線程的循環(huán)體里面，應(yīng)該要設(shè)置某些條件，在必要的時候主動讓出CPU的使用權(quán)，特別對于高優(yōu)先級的線程，如果程序里面有死循環(huán)操作而又不主動讓出CPU使用權(quán)，那么這個線程將會一直占用CPU，并且低優(yōu)先級的線程永遠(yuǎn)不會被調(diào)度執(zhí)行。

5、對于沒有一直循環(huán)執(zhí)行的線程，線程執(zhí)行完畢后，資源的回收情況實(shí)際上是在空閑線程里面進(jìn)行的，線程變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)后，不代表資源馬上被回收。

6、系統(tǒng)空閑線程是最低優(yōu)先級且永遠(yuǎn)為就緒狀態(tài)的，空閑線程是一個死循環(huán)，永遠(yuǎn)不會被掛起，但可以被其他高優(yōu)先級任務(wù)搶占，空閑線程主要執(zhí)行僵尸線程的資源回收工作。

7、空閑線程也可以設(shè)置鉤子函數(shù)，用來進(jìn)行功耗管理，看門狗喂狗等工作。

8、通過動態(tài)方式創(chuàng)建的線程，需要設(shè)置好系統(tǒng)堆內(nèi)存的大小，而通過靜態(tài)方式創(chuàng)建的線程，線程棧和線程句柄在程序編譯的時候就已經(jīng)確定，不能被動態(tài)分配，也不能被釋放。

9、大多數(shù)線程都是在不斷循環(huán)執(zhí)行的，無需進(jìn)行刪除，一般不推薦主動刪除線程。線程運(yùn)行完畢后，系統(tǒng)調(diào)度器將會自動把線程加入僵尸隊(duì)列，資源回收工作將在空閑線程里面進(jìn)行。

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