RT-Thread的郵箱服務(wù)，包括郵箱工作機(jī)制、工作管理方式以及應(yīng)用示例

前言

前面講了RT-Thread的信號(hào)量、互斥量以及事件集這些都是線程間的同步方式。在我們進(jìn)行實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)涉及到一個(gè)線程更新某個(gè)全局變量值，然后另外一個(gè)線程去讀取這個(gè)全局變量值，根據(jù)這個(gè)全局變量值的不同而去執(zhí)行不同的操作，在RT-Thread 中則提供了更多的工具幫助在不同的線程中間傳遞信息，包括郵箱、消息隊(duì)列、信號(hào)用于線程間的通信方式。本文將RT-Thread的郵箱服務(wù)，包括郵箱工作機(jī)制、工作管理方式以及應(yīng)用示例，基于潘多拉開發(fā)板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，單片機(jī)為STM32L475VET6。

一、郵箱的工作機(jī)制

RT-Thread 操作系統(tǒng)的郵箱用于線程間通信，特點(diǎn)是開銷比較低，效率較高。郵箱中的每一封郵件只能容納固定的 4 字節(jié)內(nèi)容（針對(duì) 32 位處理系統(tǒng)，指針的大小即為 4 個(gè)字節(jié)，所以一封郵件恰好能夠容納一個(gè)指針）。典型的郵箱也稱作交換消息，如下圖所示，線程或中斷服務(wù)例程把一封 4 字節(jié)長(zhǎng)度的郵件發(fā)送到郵箱中，而一個(gè)或多個(gè)線程可以從郵箱中接收這些郵件并進(jìn)行處理。

郵箱工作示意圖（來源RT-Thread編程指南）

（1）非阻塞方式的郵件發(fā)送過程能夠安全的應(yīng)用于中斷服務(wù)中，是線程、中斷服務(wù)、定時(shí)器向線程發(fā)送消息的有效手段。通常來說，郵件收取過程可能是阻塞的，這取決于郵箱中是否有郵件，以及收取郵件時(shí)設(shè)置的超時(shí)時(shí)間。當(dāng)郵箱中不存在郵件且超時(shí)時(shí)間不為 0 時(shí)，郵件收取過程將變成阻塞方式。在這類情況下，只能由線程進(jìn)行郵件的收取。

（2）當(dāng)一個(gè)線程向郵箱發(fā)送郵件時(shí)，如果郵箱沒滿，將把郵件復(fù)制到郵箱中。如果郵箱已經(jīng)滿了，發(fā)送線程可以設(shè)置超時(shí)時(shí)間，選擇等待掛起或直接返回 RT_EFULL。如果發(fā)送線程選擇掛起等待，那么當(dāng)郵箱中的郵件被收取而空出空間來時(shí)，等待掛起的發(fā)送線程將被喚醒繼續(xù)發(fā)送。

（3）當(dāng)一個(gè)線程從郵箱中接收郵件時(shí)，如果郵箱是空的，接收線程可以選擇是否等待掛起直到收到新的郵件而喚醒，或可以設(shè)置超時(shí)時(shí)間。當(dāng)達(dá)到設(shè)置的超時(shí)時(shí)間，郵箱依然未收到郵件時(shí)，這個(gè)選擇超時(shí)等待的線程將被喚醒并返回 RT_ETIMEOUT。如果郵箱中存在郵件，那么接收線程將復(fù)制郵箱中的 4 個(gè)字節(jié)郵件到接收緩存中。

二、郵箱的相關(guān)函數(shù)

1、創(chuàng)建動(dòng)態(tài)郵箱函數(shù)：創(chuàng)建郵箱對(duì)象時(shí)會(huì)先從對(duì)象管理器中分配一個(gè)郵箱對(duì)象，然后給郵箱動(dòng)態(tài)分配一塊內(nèi)存空間用來存放郵件，這塊內(nèi)存的大小等于郵件大小（4 字節(jié)）與郵箱容量的乘積，接著初始化接收郵件數(shù)目和發(fā)送郵件在郵箱中的偏移量，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建一個(gè)郵箱對(duì)象可以調(diào)用如下的函數(shù)接口：

1rt_mailbox_trt_mb_create(constchar*name,rt_size_tsize,rt_uint8_tflag);

(1)入口參數(shù)：name：郵箱名稱。size：郵箱容量。flag：郵箱標(biāo)志，它可以取如下數(shù)值：RT_IPC_FLAG_FIFO 或RT_IPC_FLAG_PRIO(2)返回值：RT_NULL:創(chuàng)建失敗。郵箱對(duì)象的句柄：創(chuàng)建成功。

2、刪除動(dòng)態(tài)郵箱函數(shù)：當(dāng)用 rt_mb_create() 創(chuàng)建的郵箱不再被使用時(shí)，應(yīng)該刪除它來釋放相應(yīng)的系統(tǒng)資源，一旦操作完成，郵箱將被永久性的刪除。刪除郵箱時(shí)，如果有線程被掛起在該郵箱對(duì)象上，內(nèi)核先喚醒掛起在該郵箱上的所有線程（線程返回值是 RT_ERROR），然后再釋放郵箱使用的內(nèi)存，最后刪除郵箱對(duì)象。刪除郵箱的函數(shù)接口如下：

1rt_err_trt_mb_delete(rt_mailbox_tmb);

（1）入口參數(shù)：

mb：要?jiǎng)h除的郵箱對(duì)象的句柄。

（2）返回值：

RT_EOK：成功。

3、創(chuàng)建靜態(tài)郵箱函數(shù)：這里所說的創(chuàng)建靜態(tài)郵箱和《RT-Thread編程指南》所講的初始化郵箱是一樣的，跟動(dòng)態(tài)創(chuàng)建郵箱類似，只是初始化郵箱用于靜態(tài)郵箱對(duì)象的初始化。與創(chuàng)建郵箱不同的是，靜態(tài)郵箱對(duì)象的內(nèi)存是在系統(tǒng)編譯時(shí)由編譯器分配的，一般放于讀寫數(shù)據(jù)段或未初始化數(shù)據(jù)段中，其余的初始化工作與創(chuàng)建郵箱時(shí)相同。初始化郵箱時(shí)，該函數(shù)接口需要獲得用戶已經(jīng)申請(qǐng)獲得的郵箱對(duì)象控制塊，緩沖區(qū)的指針，以及郵箱名稱和郵箱容量（能夠存儲(chǔ)的郵件數(shù)）。函數(shù)接口如下：

1rt_err_trt_mb_init(rt_mailbox_tmb,2constchar*name,3void*msgpool,4rt_size_tsize,5rt_uint8_tflag);

（1）入口參數(shù)：

mb：郵箱對(duì)象的句柄。name：郵箱名稱。msgpool：緩沖區(qū)指針。size：郵箱容量。flag：

郵箱標(biāo)志，它可以取如下數(shù)值：RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO

（2）返回值：

RT_EOK：成功。

注意：這里的 size 參數(shù)指定的是郵箱的容量，即如果 msgpool 指向的緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)是 N，那么郵箱容量應(yīng)該是 N/4。

4、刪除靜態(tài)郵箱函數(shù)：這里所說的刪除靜態(tài)郵箱和《RT-Thread編程指南》所講的脫離郵箱是一樣的，脫離郵箱將把靜態(tài)初始化的郵箱對(duì)象從內(nèi)核對(duì)象管理器中脫離，內(nèi)核先喚醒所有掛在該郵箱上的線程（線程獲得返回值是 RT_ERROR），然后將該郵箱對(duì)象從內(nèi)核對(duì)象管理器中脫離。脫離郵箱使用下面的接口：

1rt_err_trt_mb_detach(rt_mailbox_tmb);

（1）入口參數(shù)：mb：郵箱對(duì)象的句柄。

（2）返回值：RT_EOK：成功。

5、發(fā)送郵件函數(shù)：線程或者中斷服務(wù)程序可以通過郵箱給其他線程發(fā)送郵件，發(fā)送的郵件可以是 32 位任意格式的數(shù)據(jù)，一個(gè)整型值或者一個(gè)指向緩沖區(qū)的指針。當(dāng)郵箱中的郵件已經(jīng)滿時(shí)，發(fā)送郵件的線程或者中斷程序會(huì)收到 RT_EFULL的返回值。函數(shù)接口如下：

1rt_err_trt_mb_send(rt_mailbox_tmb,rt_uint32_tvalue);

（1）入口參數(shù)：mb：郵箱對(duì)象的句柄。value：郵件內(nèi)容。

（2）返回值：RT_EOK：發(fā)送成功。RT_EFULL：郵箱已經(jīng)滿了。

6、等待方式發(fā)送郵件函數(shù)：用戶也可以通過如下的函數(shù)接口向指定郵箱發(fā)送郵件：

1rt_err_trt_mb_send_wait(rt_mailbox_tmb,2rt_uint32_tvalue,3rt_int32_ttimeout);

rt_mb_send_wait()與 rt_mb_send() 的區(qū)別在于有等待時(shí)間，如果郵箱已經(jīng)滿了，那么發(fā)送線程將根據(jù)設(shè)定的 timeout 參數(shù)等待郵箱中因?yàn)槭杖∴]件而空出空間。如果設(shè)置的超時(shí)時(shí)間到達(dá)依然沒有空出空間，這時(shí)發(fā)送線程將被喚醒并返回錯(cuò)誤碼。

（1）入口參數(shù)：mb：郵箱對(duì)象的句柄。value：郵件內(nèi)容。timeout：超時(shí)時(shí)間。

（2）返回值：RT_EOK：發(fā)送成功。RT_ETIMEOUT：超時(shí)。RT_ERROR：失敗，返回錯(cuò)誤。

7、接收郵件函數(shù)：接收郵件時(shí)，接收者需指定接收郵件的郵箱句柄，并指定接收到的郵件存放位置以及最多能夠等待的超時(shí)時(shí)間。接收郵件函數(shù)接口如下：

1rt_err_trt_mb_recv(rt_mailbox_tmb,rt_uint32_t*value,rt_int32_ttimeout);

（1）入口參數(shù)：mb：郵箱對(duì)象的句柄。value：郵件內(nèi)容。timeout：超時(shí)時(shí)間。

（2）返回值：RT_EOK：發(fā)送成功。RT_ETIMEOUT：超時(shí)。RT_ERROR：失敗，返回錯(cuò)誤。

三、基于STM32的郵箱示例

光說不練都是假把式，那么接下來我們進(jìn)行RT-Thread的郵箱實(shí)驗(yàn)，采用RTT&正點(diǎn)原子聯(lián)合出品潘多拉開發(fā)板，基于STM32。創(chuàng)建一個(gè)郵箱，兩個(gè)線程，其中一個(gè)線程用于發(fā)送郵件，另外一個(gè)線程由于接收郵件。通過按下不同按鍵發(fā)送不同的郵件內(nèi)容，根據(jù)讀取到右郵件內(nèi)容執(zhí)行不同操作。當(dāng)讀取到內(nèi)容為KEY0按下時(shí)點(diǎn)亮RGB紅燈，其他熄滅，當(dāng)讀取到內(nèi)容為KEY1按下時(shí)點(diǎn)亮RGB藍(lán)燈，其他熄滅，當(dāng)讀取到內(nèi)容為KEY0按下時(shí)點(diǎn)亮RGB綠燈，其他熄滅。

1、實(shí)現(xiàn)代碼：

1#include"rtthread.h" 2#include"string.h" 3#include"mailbox_app.h" 4#include"led.h" 5#include"key.h" 6 7 8/*線程句柄*/ 9staticrt_thread_tthread1=RT_NULL; 10staticrt_thread_tthread2=RT_NULL; 11 12/*郵箱句柄*/ 13staticrt_mailbox_tmailbox1=RT_NULL; 14 15 16charmailbox_msg_key0_press[]="mailbox_msg_key0_press"; 17charmailbox_msg_key1_press[]="mailbox_msg_key1_press"; 18charmailbox_msg_key2_press[]="mailbox_msg_key2_press"; 19 20 21/************************************************************** 22函數(shù)名稱:thread1_recv_mailbox_msg 23函數(shù)功能:線程1入口函數(shù)，用于接收郵件 24輸入?yún)?shù):parameter：入口參數(shù) 25返回值:無 26備注:無 27**************************************************************/ 28voidthread1_recv_mailbox_msg(void*parameter) 29{ 30char*mb_msg; 31 32while(1) 33{ 34if(rt_mb_recv(mailbox1,(rt_uint32_t*)&mb_msg,RT_WAITING_FOREVER)==RT_EOK) 35{ 36rt_kprintf("recvmb_msg:%s ",mb_msg); 37 38if(0==strcmp(mb_msg,"mailbox_msg_key0_press")) 39{ 40LED_R(0); 41LED_B(1); 42LED_G(1); 43} 44elseif(0==strcmp(mb_msg,"mailbox_msg_key1_press")) 45{ 46LED_R(1); 47LED_B(0); 48LED_G(1); 49} 50elseif(0==strcmp(mb_msg,"mailbox_msg_key2_press")) 51{ 52LED_R(1); 53LED_B(1); 54LED_G(0); 55} 56} 57rt_thread_mdelay(1); 58} 59} 60 61/************************************************************** 62函數(shù)名稱:thread2_send_mailbox_msg 63函數(shù)功能:線程2入口函數(shù)，用于發(fā)送郵件 64輸入?yún)?shù):parameter：入口參數(shù) 65返回值:無 66備注:無 67**************************************************************/ 68voidthread2_send_mailbox_msg(void*parameter) 69{ 70u8key; 71 72while(1) 73{ 74key=key_scan(0); 75 76if(key==KEY0_PRES) 77{ 78rt_mb_send(mailbox1,(rt_uint32_t)&mailbox_msg_key0_press); 79} 80elseif(key==KEY1_PRES) 81{ 82rt_mb_send(mailbox1,(rt_uint32_t)&mailbox_msg_key1_press); 83} 84elseif(key==KEY2_PRES) 85{ 86rt_mb_send(mailbox1,(rt_uint32_t)&mailbox_msg_key2_press); 87} 88 89rt_thread_mdelay(1); 90} 91} 92 93 94voidrtthread_mailbox_test(void) 95{ 96mailbox1=rt_mb_create("mailbox1",12,RT_IPC_FLAG_FIFO);/*FIFO模式*/ 97 98if(mailbox1!=RT_NULL) 99{100rt_kprintf("RT-Threadcreatemailboxsuccessful ");101}102else103{104rt_kprintf("RT-Threadcreatemailboxfailed ");105return;106}107108thread1=rt_thread_create("thread1",109thread1_recv_mailbox_msg,110NULL,111512,1123,11320);114115if(thread1!=RT_NULL)116{117rt_thread_startup(thread1);;118}119else120{121rt_kprintf("createthread1failed ");122return;123}124125thread2=rt_thread_create("thread2",126thread2_send_mailbox_msg,127NULL,1281024,1292,13020);131132if(thread2!=RT_NULL)133{134rt_thread_startup(thread2);;135}136else137{138rt_kprintf("createthread2failed ");139return;140}141}

2、觀察FinSH和執(zhí)行效果：

（1）輸入list_mailbox，可以看到由哪些郵箱，郵箱的容量以及當(dāng)前掛起等待郵箱內(nèi)容的線程。

（2）按下KEY0，打印如下郵件的內(nèi)容，同時(shí)RGB紅燈亮。

（3）按下KEY1，打印如下郵件內(nèi)容，同時(shí)RGB藍(lán)燈亮。

（4）按下KEY2，打印如下郵件內(nèi)容，同時(shí)RGB綠燈亮。

四、郵箱的使用場(chǎng)合及技巧

郵箱是一種簡(jiǎn)單的線程間消息傳遞方式，特點(diǎn)是開銷比較低，效率較高。在 RT-Thread 操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中能夠一次傳遞一個(gè) 4 字節(jié)大小的郵件，并且郵箱具備一定的存儲(chǔ)功能，能夠緩存一定數(shù)量的郵件數(shù) (郵件數(shù)由創(chuàng)建、初始化郵箱時(shí)指定的容量決定)。郵箱中一封郵件的最大長(zhǎng)度是 4 字節(jié)，所以郵箱能夠用于不超過 4 字節(jié)的消息傳遞。

由于在 32 系統(tǒng)上 4 字節(jié)的內(nèi)容恰好可以放置一個(gè)指針，因此當(dāng)需要在線程間傳遞比較大的消息時(shí)，可以把指向一個(gè)緩沖區(qū)的指針作為郵件發(fā)送到郵箱中，即郵箱也可以傳遞指針，例如：

1structmsg2{3rt_uint8_t*data_ptr;4rt_uint32_tdata_size;5};

對(duì)于這樣一個(gè)消息結(jié)構(gòu)體，其中包含了指向數(shù)據(jù)的指針data_ptr和數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度的變量 data_size。當(dāng)一個(gè)線程需要把這個(gè)消息發(fā)送給另外一個(gè)線程時(shí)，可以采用如下的操作：

1structmsg*msg_ptr;23msg_ptr=(structmsg*)rt_malloc(sizeof(structmsg));4msg_ptr->data_ptr=...;/*指向相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊地址*/5msg_ptr->data_size=len;/*數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度*/67/*發(fā)送這個(gè)消息指針給mb郵箱*/8rt_mb_send(mb,(rt_uint32_t)msg_ptr);

申請(qǐng)結(jié)構(gòu)體大小的內(nèi)存空間，返回的指針指向了結(jié)構(gòu)體，當(dāng)結(jié)構(gòu)體中的信息處理完，那么可以將指向結(jié)構(gòu)體的指針作為郵件發(fā)送到郵箱中，而在接收郵件的線程中完成對(duì)結(jié)構(gòu)體信息的讀取操作，在完成操作后應(yīng)當(dāng)釋放內(nèi)存，因?yàn)槭杖∵^來的是指針，而 msg_ptr 是一個(gè)新分配出來的內(nèi)存塊，所以在接收線程處理完畢后，需要釋放相應(yīng)的內(nèi)存塊：

1structmsg*msg_ptr;23if(rt_mb_recv(mb,(rt_uint32_t*)&msg_ptr)==RT_EOK)4{5/*在接收線程處理完畢后，需要釋放相應(yīng)的內(nèi)存塊*/6rt_free(msg_ptr);7}