FreeRTOS-02-列表和列表项
说明：
本文仅作为学习FreeRTOS的记录文档，作为初学者肯定很多理解不对甚至错误的地方，望网友指正。
FreeRTOS是一个RTOS（实时操作系统）系统，支持抢占式、合作式和时间片调度。适用于微处理器或小型微处理器的实时应用。
本文档使用的FreeRTOS版本：FreeRTOS Kernel V10.4.1
参考文档：《FreeRTOS_Reference_Manual_V10.0.0.pdf》《FreeRTOS_Real_Time_Kernel-A_Hands-On_Tutorial_Guide.pdf》《STM32F4 FreeRTOS开发手册_V1.1.pdf》
参考视频：正点原子FreeRTOS手把手教学-基于STM32_哔哩哔哩_bilibili
4 列表和列表项
列表是FreeRTOS中的一个数据结构，概念上和链表有点类似，列表被用来跟踪FreeRTOS中的任务。
4.1 数据结构
列表数据结构定义如下：
typedef struct xLIST
{
listFIRST_LIST_INTEGRITY_CHECK_VALUE //检查列表完整性
volatile UBaseType_t uxNumberOfItems; //记录列表中列表项的数量
ListItem_t * configLIST_VOLATILE pxIndex; //记录当前列表项索引号，用于遍历列表
MiniListItem_t xListEnd; //表示列表结束
listSECOND_LIST_INTEGRITY_CHECK_VALUE //检查列表完整性
} List_t;
列表项ListItem_t的定义如下：
typedef struct xLIST_ITEM ListItem_t;
struct xLIST_ITEM
{
listFIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE //检查列表完整性
configLIST_VOLATILE TickType_t xItemValue; //列表项值
struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxNext; //指向下一个列表项
struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxPrevious;//指向前一个列表项
void * pvOwner; //记录此链表项归谁有
struct xLIST * configLIST_VOLATILE pxContainer; //记录此列表项归哪个列表
listSECOND_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE //检查列表完整性
};
Mini列表项MiniListItem_t的定义如下：
typedef struct xMINI_LIST_ITEM MiniListItem_t;
struct xMINI_LIST_ITEM
{
listFIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE //检查迷你列表项的完整性
configLIST_VOLATILE TickType_t xItemValue;//记录列表项值
struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxNext; //指向下一个列表项
struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxPrevious; //指向前一个列表项
};
4.2 列表和列表项初始化
列表初始化：列表初始化是对列表结构体List_t中的各个成员变量进行初始化，列表的初始化通过vListInitialise()来完成，函数实现如下：
void vListInitialise( List_t * const pxList )
{
pxList->pxIndex = ( ListItem_t * ) &( pxList->xListEnd ); //(1)
pxList->xListEnd.xItemValue = portMAX_DELAY; //(2)
pxList->xListEnd.pxNext = ( ListItem_t * ) &( pxList->xListEnd ); //(3)
pxList->xListEnd.pxPrevious = ( ListItem_t * ) &( pxList->xListEnd );//(4)
pxList->uxNumberOfItems = ( UBaseType_t ) 0U;//(5)
listSET_LIST_INTEGRITY_CHECK_1_VALUE( pxList );//(6)
listSET_LIST_INTEGRITY_CHECK_2_VALUE( pxList );//(7)
}
（1）xListEnd用来表示列表的末尾，pxIndex表示列表项的索引号，此时只有一个列表项xListEnd。
（2）xListEnd的列表项值初始化为portMAX_DELAY，这是个宏，不同MCU值不同，可能为0xfff或0xffffffffULL。
（3）xListEnd的pxNext变量指向自身。
（4）xListEnd的pxPrevious变量指向自身。
（5）此时没有其他列表项，uxNumberOfItems为0，这里没有算xListEnd。
（6）（7）初始化列表项中用于完整性检查字段。
初始化之后的结果如下：
列表项初始化：列表项在使用的时候也需要初始化。列表项初始化函数为vListInitialiseItem()。
void vListInitialiseItem( ListItem_t * const pxItem )
{
pxItem->pxContainer = NULL;
listSET_FIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE( pxItem );
listSET_SECOND_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE( pxItem );
}
列表项初始化仅将列表项成员pxContainer初始化为NULL。
4.3 列表和列表项相关函数
4.3.1 列表项插入函数
函数原型：
#include "FreeRTOS.h"
#include "list.h"
void vListInsert( List_t * const pxList,
ListItem_t * const pxNewListItem );
函数说明：列表项插入函数。列表项的插入位置由列表项中成员变量xItemValue决定，根据xItemValue的值按照升序的方式排列。
参数说明：pxList：列表项要插入的列表；pxNewListItem：要插入的列表项。
函数实现：
#include "FreeRTOS.h"
#include "list.h"
void vListInsert( List_t * const pxList,
ListItem_t * const pxNewListItem )
{
ListItem_t * pxIterator;
const TickType_t xValueOfInsertion = pxNewListItem->xItemValue; //(1)
listTEST_LIST_INTEGRITY( pxList ); //(2)
listTEST_LIST_ITEM_INTEGRITY( pxNewListItem );
if( xValueOfInsertion == portMAX_DELAY ) //(3)
{
pxIterator = pxList->xListEnd.pxPrevious; //(4)
}
else
{
for( pxIterator = ( ListItem_t * ) &( pxList->xListEnd );
pxIterator->pxNext->xItemValue <= xValueOfInsertion;
pxIterator = pxIterator->pxNext ) //(5)
{
/* There is nothing to do here,
* just iterating to the wanted insertion position. */
}
}
pxNewListItem->pxNext = pxIterator->pxNext; //(6)
pxNewListItem->pxNext->pxPrevious = pxNewListItem;
pxNewListItem->pxPrevious = pxIterator;
pxIterator->pxNext = pxNewListItem;
pxNewListItem->pxContainer = pxList; //(7)
( pxList->uxNumberOfItems )++; //(8)
}
（1）获取要插入的列表项值，根据这个值确认列表项的插入位置。
（2）检查列表和列表项 的完整性。
（3）插入的列表项值为portMAX_DELAY，插入的位置就在列表最末尾。
（4）插入的列表项值为portMAX_DELAY，列表项插入在xListEnd前面。
（5）插入的列表项值不等于portMAX_DELAY，在列表中一个一个找插入的位置，找到合适的位置就退出，当前for循环体没有代码，这个查找过程就按照升序的方式查找列表项插入点。
（6）从本行开始的四行代码就是将列表项插入到列表中，插入过程和双向链表类似。
（7）列表项的成员变量pxContainer记录此列表项属于哪个列表。
（8）列表的成员变量uxNumberOfItems加一，表示又添加了一个列表项。
列表项插入过程演示：
在一个空的列表中插入三个列表项，这三个列表项的值分别为40、60、50。
1、插入值为40的列表项
在一个空的列表插入一个列表值为40的列表项ListIterm1，插入完成后如下图所示，可看出列表是一个环形列表：
2、插入值为60的列表项
在上面列表中插入值为60的列表项，插入完成后如下图所示：
3、插入值为50的列表项
在上面列表中插入值为50的列表项，插入完成后如下图所示：
4.3.2 列表项末尾插入函数
函数原型：
#include "FreeRTOS.h"
#include "list.h"
void vListInsertEnd( List_t * const pxList,
ListItem_t * const pxNewListItem );
函数说明：列表末尾插入列表项。
参数说明：pxList：列表项要插入的列表；pxNewListItem：要插入的列表项。
函数实现：
void vListInsertEnd( List_t * const pxList,
ListItem_t * const pxNewListItem )
{
ListItem_t * const pxIndex = pxList->pxIndex;
listTEST_LIST_INTEGRITY( pxList ); //(1)
listTEST_LIST_ITEM_INTEGRITY( pxNewListItem );
pxNewListItem->pxNext = pxIndex; //(2)
pxNewListItem->pxPrevious = pxIndex->pxPrevious;
mtCOVERAGE_TEST_DELAY();
pxIndex->pxPrevious->pxNext = pxNewListItem;
pxIndex->pxPrevious = pxNewListItem;
pxNewListItem->pxContainer = pxList; //(3)
( pxList->uxNumberOfItems )++; //(4)
}
（1）这行和下一行代码完成对列表和列表项的完整性检查。
（2）从本行开始的代码就是将要插入的列表项插入到列表末尾。这里所谓的末尾是根据列表的成员变量pxIndex来确定的。pxIndex成员变量用于遍历列表，pxIndex所指向的列表项就是要遍历的开始列表项，也就是pxIndex所指向的列表项就代表列表头。新的列表项就插入到pxIndex所指向的列表项的前面。
（3）标记新的列表项pxNewListItem属于列表pxList。
（4）记录列表中的列表项数目的变量加一，更新列表项数目。
列表项插入过程演示：
1、默认列表
插入列表项前先准备一个默认列表，如下图所示：
2、插入值为50的列表项
在上面的列表中插入一个值为50的列表项，插入完成之后如下图所示：
4.3.2 列表项删除函数
函数原型：
#include "FreeRTOS.h"
#include "list.h"
UBaseType_t uxListRemove( ListItem_t * const pxItemToRemove );
函数说明：列表项删除函数。
参数说明：pxItemToRemove：要删除的列表项。注意：列表项的删除只是将指定的列表项从列表中删除掉，并不会将这个列表项的内存给释放掉，如果这个列表项是动态内存分配的话。
返回值：返回删除列表项以后的列表剩余列表项数目。
函数实现：
UBaseType_t uxListRemove( ListItem_t * const pxItemToRemove )
{
List_t * const pxList = pxItemToRemove->pxContainer; //(1)
pxItemToRemove->pxNext->pxPrevious = pxItemToRemove->pxPrevious; //(2)
pxItemToRemove->pxPrevious->pxNext = pxItemToRemove->pxNext;
mtCOVERAGE_TEST_DELAY();
if( pxList->pxIndex == pxItemToRemove )
{
pxList->pxIndex = pxItemToRemove->pxPrevious; //(3)
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
pxItemToRemove->pxContainer = NULL; //(4)
( pxList->uxNumberOfItems )--;
return pxList->uxNumberOfItems; //(5)
}
（1）读取列表项中的成员pxContainer，得到列表项处于哪个列表中。
（2）与下一行完成列表项的删除。将要删除的列表项的前后两个列表项连接在一起。
（3）如果列表的pxIndex正好指向要删除的列表项，则pxIndex重新指向被删除的列表项的前一个列表项。
（4）被删除列表项的成员变量pxContainer清零。
（5）返回新列表的当前列表项数目。
4.3.2 列表的遍历
列表的遍历是通过listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY宏实现的。每调用一次这个函数列表的pxIndex变量就会指向下一个列表项，并且返回这个列表项的pxOwner变量值。
宏的实现：
#include "FreeRTOS.h"
#include "list.h"
#define listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxTCB, pxList ) \//(1)
{ \
List_t * const pxConstList = ( pxList ); \
( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext; \//(2)
if( ( void * ) ( pxConstList )->pxIndex == ( void * ) &( ( pxConstList )->xListEnd))\//(3)
{ \
( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext; \//(4)
} \
( pxTCB ) = ( pxConstList )->pxIndex->pvOwner; \//(5)
}
（1）pxTCB用来保存pxIndex所指向的列表项的pvOwner变量值，也就是这个列表项的所有者，通常是一个任务的任务控制块。pxList表示要遍历的列表。
（2）列表的pxIndex变量指向下一个列表项。
（3）如果pxIndex指向了列表的xListEnd成员变量，表示到了列表末尾。
（4）如果到了列表末尾的话就跳过xListEnd，pxIndex再一次重新指向处于列表头的列表项，这样就完成了一次对列表的遍历。
（5）将pxIndex所指向的新列表项的pvOwner赋值给pxTCB。
4.3 列表和列表项实验
创建一个任务，用于操作列表和列表项。调用列表和列表项相关的API函数。
configSTACK_DEPTH_TYPE Task06_STACK_SIZE = 5;
UBaseType_t Task06_Priority = 1;
TaskHandle_t Task06_xHandle;
List_t TestList;
ListItem_t ListItem1;
ListItem_t ListItem2;
ListItem_t ListItem3;
void vTask06_Code(void *para)
{
//初始化列表和列表项
vListInitialise(&TestList);
vListInitialiseItem(&ListItem1);
vListInitialiseItem(&ListItem2);
vListInitialiseItem(&ListItem3);
ListItem1.xItemValue = 40;
ListItem2.xItemValue = 60;
ListItem3.xItemValue = 50;
//打印列表和其他列表项地址
PRINT(" ==== list and listItem address ====");
PRINT(" type address");
PRINT(" ------------------------------");
PRINT(" TestList %#x", &TestList);
PRINT(" TestList->pxIndex %#x", TestList.pxIndex);
PRINT(" TestList->xListEnd %#x", &TestList.xListEnd);
PRINT(" ListItem1 %#x", &ListItem1);
PRINT(" ListItem2 %#x", &ListItem2);
PRINT(" ListItem3 %#x", &ListItem3);
PRINT(" =============== end ===============\n");
//向列表中添加列表项ListItem1，观察列表项中成员变量的值。
vListInsert(&TestList, &ListItem1);
PRINT(" ====== add listItem1 in TestList =======");
PRINT(" type address");
PRINT(" ----------------------------------------");
PRINT(" TestList->xListEnd->pxNext %#x", TestList.xListEnd.pxNext);
PRINT(" ListItem1->pxNext %#x", ListItem1.pxNext);
PRINT(" -------- 前后向连接切割线 ---------");
PRINT(" TestList->xListEnd->pxPrevious %#x", TestList.xListEnd.pxPrevious);
PRINT(" ListItem1->pxPrevious %#x", ListItem1.pxPrevious);
PRINT(" ================= end ==================\n");
//向列表中插入列表项ListItem2，观察列表项中成员变量的变化
vListInsert(&TestList, &ListItem2);
PRINT(" ====== add listItem2 in TestList =======");
PRINT(" type address");
PRINT(" ----------------------------------------");
PRINT(" TestList->xListEnd->pxNext %#x", TestList.xListEnd.pxNext);
PRINT(" ListItem1->pxNext %#x", ListItem1.pxNext);
PRINT(" ListItem2->pxNext %#x", ListItem2.pxNext);
PRINT(" -------- 前后向连接切割线 ---------");
PRINT(" TestList->xListEnd->pxPrevious %#x", TestList.xListEnd.pxPrevious);
PRINT(" ListItem1->pxPrevious %#x", ListItem1.pxPrevious);
PRINT(" ListItem2->pxPrevious %#x", ListItem2.pxPrevious);
PRINT(" ================= end ==================\n");
//向列表中插入列表项ListItem3，观察列表项中成员变量的变化
vListInsert(&TestList, &ListItem3);
PRINT(" ====== add listItem3 in TestList =======");
PRINT(" type address");
PRINT(" ----------------------------------------");
PRINT(" TestList->xListEnd->pxNext %#x", TestList.xListEnd.pxNext);
PRINT(" ListItem1->pxNext %#x", ListItem1.pxNext);
PRINT(" ListItem3->pxNext %#x", ListItem3.pxNext);
PRINT(" ListItem2->pxNext %#x", ListItem2.pxNext);
PRINT(" -------- 前后向连接切割线 ---------");
PRINT(" TestList->xListEnd->pxPrevious %#x", TestList.xListEnd.pxPrevious);
PRINT(" ListItem1->pxPrevious %#x", ListItem1.pxPrevious);
PRINT(" ListItem3->pxPrevious %#x", ListItem3.pxPrevious);
PRINT(" ListItem2->pxPrevious %#x", ListItem2.pxPrevious);
PRINT(" ================= end ==================\n");
//删除ListItem2，观察列表项中成员变量的变化
uxListRemove(&ListItem2);
PRINT(" ========== delete listItem2 ============");
PRINT(" type address");
PRINT(" ----------------------------------------");
PRINT(" TestList->xListEnd->pxNext %#x", TestList.xListEnd.pxNext);
PRINT(" ListItem1->pxNext %#x", ListItem1.pxNext);
PRINT(" ListItem3->pxNext %#x", ListItem3.pxNext);
PRINT(" -------- 前后向连接切割线 ---------");
PRINT(" TestList->xListEnd->pxPrevious %#x", TestList.xListEnd.pxPrevious);
PRINT(" ListItem1->pxPrevious %#x", ListItem1.pxPrevious);
PRINT(" ListItem3->pxPrevious %#x", ListItem3.pxPrevious);
PRINT(" ================= end ==================\n");
//pxIndex向后移一项
TestList.pxIndex = TestList.pxIndex->pxNext;
//在列表末尾插入列表项ListItem2
vListInsertEnd(&TestList, &ListItem2);
PRINT(" ===== add listItem2 in TestList end =====");
PRINT(" type address");
PRINT(" ----------------------------------------");
PRINT(" TestList->pxIndex %#x", TestList.pxIndex);
PRINT(" TestList->xListEnd->pxNext %#x", TestList.xListEnd.pxNext);
PRINT(" ListItem2->pxNext %#x", ListItem2.pxNext);
PRINT(" ListItem1->pxNext %#x", ListItem1.pxNext);
PRINT(" ListItem3->pxNext %#x", ListItem3.pxNext);
PRINT(" -------- 前后向连接切割线 ---------");
PRINT(" TestList->xListEnd->pxPrevious %#x", TestList.xListEnd.pxPrevious);
PRINT(" ListItem2->pxPrevious %#x", ListItem2.pxPrevious);
PRINT(" ListItem1->pxPrevious %#x", ListItem1.pxPrevious);
PRINT(" ListItem3->pxPrevious %#x", ListItem3.pxPrevious);
PRINT(" ================= end ==================\n");
for (;;)
{
static unsigned int cnt = 0;
PRINT(" task06 cnt %u...", cnt);
cnt++;
vTaskDelay(1000);
}
}
void creat_task_test_list(void)
{
if (xTaskCreate(vTask06_Code, "list test task06", Task06_STACK_SIZE,
NULL, Task06_Priority, &Task06_xHandle) != pdPASS)
PRINT("creat task failed!\n");
}
编译，运行，打印结果如下：
$ ./build/freertos-simulator
==== list and listItem address ====
type address
------------------------------
TestList 0x60f000
TestList->pxIndex 0x60f010
TestList->xListEnd 0x60f010
ListItem1 0x60f0c0
ListItem2 0x60f120
ListItem3 0x60f080
=============== end ===============
====== add listItem1 in TestList =======
type address
----------------------------------------
TestList->xListEnd->pxNext 0x60f0c0
ListItem1->pxNext 0x60f010
-------- 前后向连接切割线 ---------
TestList->xListEnd->pxPrevious 0x60f0c0
ListItem1->pxPrevious 0x60f010
================= end ==================
====== add listItem2 in TestList =======
type address
----------------------------------------
TestList->xListEnd->pxNext 0x60f0c0
ListItem1->pxNext 0x60f120
ListItem2->pxNext 0x60f010
-------- 前后向连接切割线 ---------
TestList->xListEnd->pxPrevious 0x60f120
ListItem1->pxPrevious 0x60f010
ListItem2->pxPrevious 0x60f0c0
================= end ==================
====== add listItem3 in TestList =======
type address
----------------------------------------
TestList->xListEnd->pxNext 0x60f0c0
ListItem1->pxNext 0x60f080
ListItem3->pxNext 0x60f120
ListItem2->pxNext 0x60f010
-------- 前后向连接切割线 ---------
TestList->xListEnd->pxPrevious 0x60f120
ListItem1->pxPrevious 0x60f010
ListItem3->pxPrevious 0x60f0c0
ListItem2->pxPrevious 0x60f080
================= end ==================
========== delete listItem2 ============
type address
----------------------------------------
TestList->xListEnd->pxNext 0x60f0c0
ListItem1->pxNext 0x60f080
ListItem3->pxNext 0x60f010
-------- 前后向连接切割线 ---------
TestList->xListEnd->pxPrevious 0x60f080
ListItem1->pxPrevious 0x60f010
ListItem3->pxPrevious 0x60f0c0
================= end ==================
===== add listItem2 in TestList end =====
type address
----------------------------------------
TestList->pxIndex 0x60f0c0
TestList->xListEnd->pxNext 0x60f120
ListItem2->pxNext 0x60f0c0
ListItem1->pxNext 0x60f080
ListItem3->pxNext 0x60f010
-------- 前后向连接切割线 ---------
TestList->xListEnd->pxPrevious 0x60f080
ListItem2->pxPrevious 0x60f010
ListItem1->pxPrevious 0x60f120
ListItem3->pxPrevious 0x60f0c0
================= end ==================
task06 cnt 0...
task06 cnt 1...
过程分析：
（1）列表和列表项的地址如下：
TestList 0x60f000
ListItem1 0x60f0c0
TestList->pxIndex 0x60f010
TestList->xListEnd 0x60f010
ListItem2 0x60f120
ListItem3 0x60f080
（2）列表TestList添加列表项ListItem1后的地址如下：
type address
----------------------------------------
TestList->xListEnd->pxNext 0x60f0c0 //ListItem1
ListItem1->pxNext 0x60f010 //TestList->xListEnd
-------- 前后向连接切割线 ---------
TestList->xListEnd->pxPrevious 0x60f0c0 //ListItem1
ListItem1->pxPrevious 0x60f010 //TestList->xListEnd
用示意图表示如下图所示：
（2）列表TestList添加列表项ListItem2后的地址如下：
type address
----------------------------------------
TestList->xListEnd->pxNext 0x60f0c0 //ListItem1
ListItem1->pxNext 0x60f120 //ListItem2
ListItem2->pxNext 0x60f010 //TestList->xListEnd
-------- 前后向连接切割线 ---------
TestList->xListEnd->pxPrevious 0x60f120 //ListItem2
ListItem1->pxPrevious 0x60f010 //TestList->xListEnd
ListItem2->pxPrevious 0x60f0c0 //ListItem1
用示意图表示如下图所示：
（3）列表TestList插入列表项ListItem3后的地址如下：
TestList->xListEnd->pxNext 0x60f0c0 //ListItem1
ListItem1->pxNext 0x60f080 //ListItem3
ListItem3->pxNext 0x60f120 //ListItem2
ListItem2->pxNext 0x60f010 //TestList->xListEnd
-------- 前后向连接切割线 ---------
TestList->xListEnd->pxPrevious 0x60f120 //ListItem2
ListItem1->pxPrevious 0x60f010 //TestList->xListEnd
ListItem3->pxPrevious 0x60f0c0 //ListItem1
ListItem2->pxPrevious 0x60f080 //ListItem3
用示意图表示如下图所示：
（4）列表TestList删除列表项ListItem2之后的地址如下：
TestList->xListEnd->pxNext 0x60f0c0 //ListItem1
ListItem1->pxNext 0x60f080 //ListItem3
ListItem3->pxNext 0x60f010 //TestList->xListEnd
-------- 前后向连接切割线 ---------
TestList->xListEnd->pxPrevious 0x60f080 //ListItem3
ListItem1->pxPrevious 0x60f010 //TestList->xListEnd
ListItem3->pxPrevious 0x60f0c0 //ListItem1
用示意图表示如下图所示：
（4）列表TestList在末端插入列表项ListItem2之后的地址如下：
这里所说的末端就是TestList->pxIndex指向的列表项（代表列表头），新的列表项就插入到TestList->pxIndex所指向的列表项的前面。
TestList->pxIndex 0x60f0c0 //ListItem1
TestList->xListEnd->pxNext 0x60f120 //ListItem2
ListItem2->pxNext 0x60f0c0 //ListItem1
ListItem1->pxNext 0x60f080 //ListItem3
ListItem3->pxNext 0x60f010 //TestList->xListEnd
-------- 前后向连接切割线 ---------
TestList->xListEnd->pxPrevious 0x60f080 //ListItem3
ListItem2->pxPrevious 0x60f010 //TestList->xListEnd
ListItem1->pxPrevious 0x60f120 //ListItem2
ListItem3->pxPrevious 0x60f0c0 //ListItem1
用示意图表示如下图所示：
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