RT-thread内核之线程内核对象

在RT-Thread实时操作系统中，任务采用了线程来实现，线程是RT-Thread中最基本的调度单位，它描述了一个任务执行的上下文关系，也描述了这个任务所处的优先等级。重要的任务能拥有相对较高的优先级，非重要的任务优先级可以放低，并且可以类似Linux一样具备分时的效果。线程控制块是操作系统用于控制线程的一个数据结构，它会存放线程的一些信息，例如优先级，线程名称等，也包含线程与线程之间连接用的链表结构，线程等待事件集合等。

1、线程控制块(在include/rtdef.h中定义)

/**
 * Thread structure
 */
struct rt_thread
{
    /* rt_object *///这里就是rt_object的结构,其实也可以用rt_object parent来定义，估计线程在早些时候并没有这么做，后来也就没改过来 
    char        name[RT_NAME_MAX];                      /**< the name of thread *///对象的名称
    rt_uint8_t  type;                                   /**< type of object *///对象类型，这里为RT_Object_Class_Thread
    rt_uint8_t  flags;                                  /**< thread's flags *///对象标志

#ifdef RT_USING_MODULE
    void       *module_id;                              /**< id of application module *///线程所在的模块ID
#endif
    rt_list_t   list;                                   /**< the object list *///内核对象链表节点
    rt_list_t   tlist;                                  /**< the thread list *///线程链表节点,一般用于相同优先级线程链表中的就绪队列节点

    /* stack point and entry */
    void       *sp;                                     /**< stack point *///线程的栈指针，这里主要指静态线程，因为动态线程在堆上分配内存
    void       *entry;                                  /**< entry *///线程入口函数
    void       *parameter;                              /**< parameter *///入口函数对应的参数
    void       *stack_addr;                             /**< stack address *///线程栈地址
    rt_uint16_t stack_size;                             /**< stack size *///线程栈大小

    /* error code */
    rt_err_t    error;                                  /**< error code */// 线程错误标志，用于IPC机制中，标志是否已经获取成功
    rt_uint8_t  stat;                                   /**< thread stat *///线程的当前状态，如就绪、挂起等

    /* priority */
    rt_uint8_t  current_priority;                       /**< current priority *///当前优先级  
    rt_uint8_t  init_priority;                          /**< initialized priority *///初始优先级  
#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32                         //在rtconfig.h定义最大线程优先级，默认为32，最大值可为256
    rt_uint8_t  number;                                 //number, high_mask, number_mask与线程调度时获获取当前最高优先级线程的算法有关，这里对算法不做过多解释
    rt_uint8_t  high_mask;
#endif
    rt_uint32_t number_mask;

#if defined(RT_USING_EVENT)                            //与IPC机制事件相关的一些参数
    /* thread event */
    rt_uint32_t event_set;                             //此线程接收到的事件
    rt_uint8_t  event_info;                            //此线程的事件过滤信息,用于过滤事件,只保留感兴趣的事件
#endif

    rt_ubase_t  init_tick;                              /**< thread's initialized tick *///线程时钟节拍数
    rt_ubase_t  remaining_tick;                         /**< remaining tick *///线程运行时的剩余时钟节拍数，每隔1个tick，remaining_tick减1。线程初始化时remaining_tick==init_tick

    struct rt_timer thread_timer;                       /**< built-in thread timer *///线程定时器

    void (*cleanup)(struct rt_thread *tid);             /**< cleanup function when thread exit *///当线程退出时，需要执行的清理函数，相当于线程的析构函数，用于销毁线程时做些后续操作

    rt_uint32_t user_data;                              /**< private user data beyond this thread *///用户数据
};
typedef struct rt_thread *rt_thread_t;

2、线程函数接口（以下函数接口在src/thread.c中实现）

静态线程初始化：
静态线程是指，线程控制块、线程运行栈一般都设置为全局变量，在编译时就被确定、被分配处理，内核不负责动态分配内存空间。需要注意的是，用户提供的栈首地址需做系统字节对齐。
rt_err_t rt_thread_init(struct rt_thread *thread,      //线程句柄
                        const char       *name,        //线程名称，最大长度由rtconfig.h中定义的RT_NAME_MAX宏指定，多余部分会被自动截掉
                        void (*entry)(void *parameter),//线程入口函数
                        void             *parameter,   //线程入口函数参数
                        void             *stack_start, //线程栈起始地址
                        rt_uint32_t       stack_size,  //线程栈大小，单位是字节
                        rt_uint8_t        priority,    //线程的优先级。优先级范围根据系统配置情况（rtconfig.h中的RT_THREAD_PRIORITY_MAX宏定义）。
                        rt_uint32_t       tick)        //线程的时间片大小。时间片（tick）的单位是操作系统的时钟节拍。这个参数只针对相同优先级的线程有效。
                                                       //当系统中存在相同优先级线程时，tick指定线程一次调度能够运行的最大时间长度。这个时间片运行结束时，调度器自动选择下一个就绪态的同优先级线程进行运行。
动态线程创建：
调用这个函数时，系统会从动态堆内存中分配一个线程句柄（即TCB，线程控制块）以及按照参数中指定的栈大小从动态堆内存中分配相应的空间。分配出来的栈空间是按照rtconfig.h中配置RT_ALIGN_SIZE方式对齐。
rt_thread_t rt_thread_create(const char *name,              //同上
                             void (*entry)(void *parameter),//同上
                             void       *parameter,         //同上
                             rt_uint32_t stack_size,        //同上
                             rt_uint8_t  priority,          //同上
                             rt_uint32_t tick)              //同上

线程脱离：
rt_thread_detach()函数操作的对象是使用rt_thread_init()函数初始化的静态线程控制块。线程本身不应调用这个接口脱离线程本身。
rt_err_t rt_thread_detach(rt_thread_t thread);
线程的脱离函数如果当前线程离开后需要进行一些善后工作，即存在cleanup析构函数，此时，会将此线程加入到回收线程链表rt_thread_defunct中去，等到系统空闲时再由空闲线程来“回收"此线程

线程删除：
在动态线程运行完成或自动结束的情况下，系统会自动删除线程，不需要再调用rt_thread_delete()函数接口。这个接口不应由线程本身来调用以删除线程自身，一般只能由其他线程调用或在定时器超时函数中调用。
rt_err_t rt_thread_delete(rt_thread_t thread);
调用该函数后，线程对象将会被移出线程队列并且从内核对象管理器中删除，线程占用的堆栈空间也会被释放，收回的空间将重新用于其他的内存分配。 
实际上，用rt_thread_delete函数删除线程接口，仅仅是把相应的线程状态更改为RT_THREAD_CLOSE状态，然后放入到rt_thread_defunct队列中；而真正的删除动作（释放线程控制块和释放线程栈）需要到下一次执行idle线程时，由idle线程完成最后的线程删除动作。

线程启动：
创建（初始化）的线程对象的状态处于初始态，并未进入就绪线程的调度队列，我们可以调用下面的函数接口启动一个线程：
rt_err_t rt_thread_startup(rt_thread_t thread);
当调用这个函数时，将把线程的状态更改为就绪状态，并放到相应优先级队列中等待调度。如果新启动的线程优先级比当前线程优先级高，将立刻切换到这个线程。若没有线程同步机制，系统始终只运行优先级最高的线程。

线程挂起：
当线程调用rt_thread_delay时，调用线程将主动使用挂起；当调用rt_sem_take，rt_mb_recv等函数时，资源（信号量，事件等）不可使用也将导致调用线程挂起。
处于挂起状态的线程，如果其等待的资源超时（超过其设定的等待时间），那么该线程将不再等待这些资源，并返回到就绪状态；或者当其它线程释放该线程所等待的资源（信号量，事件等）时，该线程也会返回到就绪状态。
rt_err_t rt_thread_suspend(rt_thread_t thread);
通常不应该使用这个函数来挂起线程本身，如果确实需要采用rt_thread_suspend函数挂起当前任务，需要在调用rt_thread_suspend()函数后立刻调用rt_schedule()函数进行手动的线程上下文切换。

线程恢复：
线程恢复就是让挂起的线程重新进入就绪状态，如果被恢复线程在所有就绪态线程中，位于最高优先级链表的第一位，那么系统将进行线程上下文的切换。
rt_err_t rt_thread_resume(rt_thread_t thread);
将线程加入到调度器就绪队列中，并没有真正唤醒它，而真正唤醒线程需要rt_schedule.

线程让出：
当前线程的时间片用完或者该线程自动要求让出处理器资源时，它不再占有处理器，调度器会选择下一个最高优先级的线程执行。放弃处理器资源的线程仍然在就绪队列中，只不过放到了同一优先级的就绪线程队列末尾。
rt_err_t rt_thread_yield(void);
调用该函数后，当前线程首先把自己从它所在的队列中删除，然后把自己挂到与该线程优先级对应的就绪线程链表的尾部，然后激活调度器切换到优先级最高的线程。
注：rt_thread_yield()函数和rt_schedule()函数比较相像，但在有相同优先级的其他就绪态线程存在时，系统的行为却完全不一样。
  执行rt_thread_yield()后，将当前线程被换出，把相同优先级的下一个就绪线程将被执行。
  执行rt_schedule()后，当前线程并不一定被换出，即使被换出，也不会被放到绪线程链表的尾部，而是在系统中选取就绪的优先级最高的线程执行（如果系统中没有比当前线程优先级更高的就绪线程存在，系统将继续执行当前线程）

线程睡眠：
rt_err_t rt_thread_sleep(rt_tick_t tick);
rt_err_t rt_thread_delay(rt_tick_t tick);
这个函数接受一个参数，该参数指定了线程的休眠时间（单位是OS Tick时钟节拍）。
这两个函数接口的作用相同，将当前线程挂起后，然后开启线程定时器，加入到定时器超时链表，并等待定时器时间到达，一旦到达，定时器超时回调函数rt_thread_timeout中将会将此线程重新加入到调度器（就绪队列），并重新调度。
此外,需要特别注意地是，此函数会将超时的线程的error设置为-RT_ETIMEOUT,用来标志此线程并未获得IPC，这在IPC机制中判断某个线程是否已成功获取某个IPC对象时非常有用。

线程控制：
rt_err_t rt_thread_control(rt_thread_t thread, rt_uint8_t cmd, void *arg);
指示控制命令cmd当前支持的命令包括
• RT_THREAD_CTRL_CHANGE_PRIORITY - 动态更改线程的优先级；
• RT_THREAD_CTRL_STARTUP - 开始运行一个线程，等同于rt_thread_startup()函数调用；
• RT_THREAD_CTRL_CLOSE - 关闭一个线程，等同于rt_thread_delete()函数调用。
在修改线程优先级时，当线程处于就绪状态时，为了安全起见，首先将线程从就绪队列中移除，然后再修改优先级，最后再次线程重新加入到调度器的就绪队列中。
查找线程：
rt_thread_t rt_thread_find(char *name);
查找线程是通过内核对象管理系统来查找的，根据内核对象的类型，找到相应内核对象链表，并遍历它，比较名字，如果找到则返回。

当前线程：
在程序的运行过程中，相同的一段代码可能会被多个线程执行，在执行的时候可以通过下面的函数接口获得当前执行的线程句柄
rt_thread_t rt_thread_self(void);
请不要在中断服务程序中调用此函数，因为它并不能准确获得当前的执行线程。当调度器未启动时，这个接口返回RT_NULL

3、线程状态

线程运行的过程中，一个时间内只允许一个线程在处理器中运行，从运行的过程上划分，线程有多种不同的运行状态，如运行态，非运行态等。在RT-Thread实时操作系统中，线程包含五种状态，操作系统会自动根据它运行的情况而动态调整它的状态。 RT-Thread中的五种线程状态如下所示：

RT_THREAD_INIT         线程初始状态。   当线程刚开始创建还没开始运行时就处于这个 状态；在这个状态下，线程不参与调度

RT_THREAD_SUSPEND 挂起态、阻塞态。线程此时被挂起：它可能因为资源不可用而 挂起等待；或线程主动延时一段时间而被挂起。在这个状态下 ，线程不参与调度

RT_THREAD_READY     就绪态。           线程正在运行；或当前线程运行完让出处理器后，操 作系统寻找最高优先级的就绪态线程运行

RT_THREAD_RUNNING  运行态。          线程当前正在运行，在单核系统中，只有rt_thread_self()函数返回的线程处于这个状态；在多核系统中则不受这个限制。

RT_THREAD_CLOSE      线程结束态。    当线程运行结束时将处于这个状态。这个状态的 线程不参与线程的调度。