RTOS任務(wù)間通信和全局變量有什么區(qū)別？
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1. 知識點(diǎn)回顧
隊(duì)列（queue）是一種只能在一端插入元素、在另一端刪除元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，遵循先入先出（FIFO）的規(guī)則。
環(huán)形隊(duì)列（ring queue）可以方便的重復(fù)利用這段內(nèi)存空間，同樣遵循先入先出（FIFO）的規(guī)則。
優(yōu)先級隊(duì)列（prio queue）不遵循FIFO，而是根據(jù)元素的優(yōu)先級進(jìn)行出隊(duì)，優(yōu)先級最高的先出隊(duì)。
「本文的所有內(nèi)容都是基于這兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)」，TencentOS-tiny中環(huán)形隊(duì)列和優(yōu)先級隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)和使用示例請閱讀文章：
- 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) | TencentOS-tiny中隊(duì)列、環(huán)形隊(duì)列、優(yōu)先級隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)及使用
2. 消息隊(duì)列
2.1. 什么是消息隊(duì)列
消息隊(duì)列，Message Queue，顧名思義包含兩部分：消息+隊(duì)列，或者可以理解為消息的隊(duì)列。
① 消息是什么？
兩個(gè)不同的任務(wù)之間傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，這個(gè)數(shù)據(jù)就稱之為消息，這個(gè)消息可以是一個(gè)整型值，浮點(diǎn)值，甚至一個(gè)結(jié)構(gòu)體，一個(gè)指針……所以，在使用不同的RTOS的消息隊(duì)列時(shí)，「一定要注意傳遞的是值還是該值的地址」。
傳遞值的缺點(diǎn)是值的長度有大有小，導(dǎo)致整個(gè)消息隊(duì)列的長度有大有小。
一個(gè)指針的長度是固定的4字節(jié)，傳遞值的時(shí)候，無論值是什么類型，只傳遞該值的地址。
傳遞地址當(dāng)然也有缺陷，當(dāng)動(dòng)態(tài)任務(wù)task1中定義了一個(gè)局部變量，然后把該局部變量的地址傳給了task2，隨即task1因?yàn)槟撤N原因被銷毀，內(nèi)存回收，導(dǎo)致指向該局部變量的指針變?yōu)橐爸羔?，非常危險(xiǎn)，不過不用慌，小問題，在編程的時(shí)候注意避免即可。
「在TencentOS-tiny中，消息隊(duì)列中傳遞的消息指的是地址，郵箱隊(duì)列傳遞的消息是值」。
② 隊(duì)列是什么？
消息隊(duì)列如果底層使用環(huán)形隊(duì)列存儲消息，則成為消息隊(duì)列，遵循：先送入的消息先被取出。
消息隊(duì)列如果底層使用優(yōu)先級隊(duì)列存儲消息，則成為優(yōu)先級消息隊(duì)列，遵循：優(yōu)先級最高的消息最先被取出。
「在TencentOS-tiny中，這兩種消息隊(duì)列都有，下面一一講述?！?/span>
③ pend-post機(jī)制
無論是什么隊(duì)列，都存在兩種情況：當(dāng)隊(duì)列滿了的時(shí)候，元素再入隊(duì)會發(fā)生錯(cuò)誤；當(dāng)隊(duì)列為空的時(shí)候，元素出隊(duì)同樣會發(fā)生錯(cuò)誤。
這種問題可以巧妙的在隊(duì)列基礎(chǔ)之上用pend-post機(jī)制解決，即等待-釋放機(jī)制。
當(dāng)隊(duì)列「滿了」的時(shí)候，前來入隊(duì)的task1可以選擇pend一段時(shí)間或者永久等待，「一旦有元素被task2出隊(duì)」，調(diào)用post釋放一個(gè)信號，「喚醒等待中的task1」。
同樣，當(dāng)隊(duì)列「空了」的時(shí)候，前來出隊(duì)的task1可以選擇pend一段時(shí)間或者永久等待，「一旦有元素被task2入隊(duì)」，調(diào)用post釋放一個(gè)信號，「喚醒等待中的task1」。
是不是很巧妙？
接下來上源碼！上Demo！一看便知~
2.2. 消息隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)
TencentOS-tiny中消息隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)在 tos_message_queue.h和tos_message_queue.c中。
typedef struct k_message_queue_st { knl_obj_t knl_obj; pend_obj_t pend_obj; k_ring_q_t ring_q;
} k_msg_q_t;
一個(gè)pend_obj對象用來實(shí)現(xiàn)pend-post機(jī)制，一個(gè)ring_q環(huán)形隊(duì)列用來存儲消息。
是不是和我講述的沒錯(cuò)？學(xué)透了之后，其實(shí)一切都沒有那么神秘的~
再來看看從消息隊(duì)列中獲取消息的API實(shí)現(xiàn)：
__API__ k_err_t tos_msg_q_pend(k_msg_q_t *msg_q, void **msg_ptr, k_tick_t timeout) { //省略了部分源碼 TOS_CPU_INT_DISABLE(); if (tos_ring_q_dequeue(&msg_q->ring_q, msg_ptr, K_NULL) == K_ERR_NONE) {
TOS_CPU_INT_ENABLE(); return K_ERR_NONE;
}
pend_task_block(k_curr_task, &msg_q->pend_obj, timeout);
TOS_CPU_INT_ENABLE();
knl_sched(); return err;
}
向消息隊(duì)列中存放消息的API實(shí)現(xiàn)如下：
__STATIC__ k_err_t msg_q_do_post(k_msg_q_t *msg_q, void *msg_ptr, opt_post_t opt) { //省略了部分源碼 TOS_CPU_INT_DISABLE(); if (pend_is_nopending(&msg_q->pend_obj)) {
err = tos_ring_q_enqueue(&msg_q->ring_q, &msg_ptr, sizeof(void*)); if (err != K_ERR_NONE) {
TOS_CPU_INT_ENABLE(); return err;
}
TOS_CPU_INT_ENABLE(); return K_ERR_NONE;
} if (opt == OPT_POST_ONE) {
msg_q_task_recv(TOS_LIST_FIRST_ENTRY(&msg_q->pend_obj.list, k_task_t, pend_list), msg_ptr);
} else { // OPT_POST_ALL TOS_LIST_FOR_EACH_ENTRY_SAFE(task, tmp, k_task_t, pend_list, &msg_q->pend_obj.list) {
msg_q_task_recv(task, msg_ptr);
}
}
TOS_CPU_INT_ENABLE();
knl_sched(); return K_ERR_NONE;
}
從源碼中可以看到，如果opt標(biāo)志為 OPT_POST_ONE，表示喚醒一個(gè)，則喚醒該消息隊(duì)列等待列表上任務(wù)優(yōu)先級最高的那個(gè)；如果opt標(biāo)志為 OPT_POST_ALL，則全部喚醒。
2.3. 消息隊(duì)列的使用示例
#define MESSAGE_MAX 10 uint8_t msg_pool[MESSAGE_MAX * sizeof(void *)]; k_msg_q_t msg_q; void entry_task_receiver(void *arg) { k_err_t err; void *msg_received; while (K_TRUE) {
err = tos_msg_q_pend(&msg_q, &msg_received, TOS_TIME_FOREVER); if (err == K_ERR_NONE) { printf("receiver: msg incoming[%s]\n", (char *)msg_received);
}
}
} void entry_task_sender(void *arg) { char *msg_prio_0 = "msg 0 without priority"; char *msg_prio_1 = "msg 1 without priority"; char *msg_prio_2 = "msg 2 without priority"; printf("sender: post a message 2 without priority\n");
tos_msg_q_post(&msg_q, msg_prio_2); printf("sender: post a message 1 without priority\n");
tos_msg_q_post(&msg_q, msg_prio_1); printf("sender: post a message 0 without priority\n");
tos_msg_q_post(&msg_q, msg_prio_0);
}
執(zhí)行結(jié)果如下：
TencentOS-tiny Port on STM32L431RCT6 By Mculover666
sender: post a message 2 without priority
sender: post a message 1 without priority
sender: post a message 0 without priority
receiver: msg incoming[msg 2 without priority]
receiver: msg incoming[msg 1 without priority]
receiver: msg incoming[msg 0 without priority]
3. 優(yōu)先級消息隊(duì)列
3.1. 優(yōu)先級消息隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)和消息隊(duì)列類似，通過在優(yōu)先級隊(duì)列的基礎(chǔ)上加上pend-post機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。
TencentOS-tiny中優(yōu)先級消息隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)在tos_priority_message_queue.h和tos_priority_message_queue.c中。
typedef struct k_priority_message_queue_st { knl_obj_t knl_obj; pend_obj_t pend_obj; void *prio_q_mgr_array; k_prio_q_t prio_q;
} k_prio_msg_q_t;
其中pend_obj用于掛載等待該優(yōu)先級消息隊(duì)列的任務(wù)，prio_q和prio_q_mgr_array合起來實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級隊(duì)列。
消息入隊(duì)和消息出隊(duì)的API實(shí)現(xiàn)與消息隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)思想一模一樣，這里不再講解。
3.2. 優(yōu)先級消息隊(duì)列的使用示例
#define MESSAGE_MAX 10 uint8_t msg_pool[MESSAGE_MAX * sizeof(void *)]; k_prio_msg_q_t prio_msg_q; void entry_task_receiver(void *arg) { k_err_t err; void *msg_received; while (K_TRUE) {
err = tos_prio_msg_q_pend(&prio_msg_q, &msg_received, TOS_TIME_FOREVER); if (err == K_ERR_NONE) { printf("receiver: msg incoming[%s]\n", (char *)msg_received);
}
}
} void entry_task_sender(void *arg) { char *msg_prio_0 = "msg with priority 0"; char *msg_prio_1 = "msg with priority 1"; char *msg_prio_2 = "msg with priority 2"; printf("sender: post a message with priority 2\n");
tos_prio_msg_q_post(&prio_msg_q, msg_prio_2, 2); printf("sender: post a message with priority 1\n");
tos_prio_msg_q_post(&prio_msg_q, msg_prio_1, 1); printf("sender: post a message with priority 0\n");
tos_prio_msg_q_post(&prio_msg_q, msg_prio_0, 0);
}
運(yùn)行結(jié)果如下：
TencentOS-tiny Port on STM32L431RCT6 By Mculover666
sender: post a message with priority 2 sender: post a message with priority 1 sender: post a message with priority 0 receiver: msg incoming[msg with priority 0]
receiver: msg incoming[msg with priority 1]
receiver: msg incoming[msg with priority 2]
將第2節(jié)的結(jié)果和第3節(jié)的結(jié)果對比，就會發(fā)現(xiàn)同樣的消息發(fā)送順序，因?yàn)槭褂貌煌南㈥?duì)列，任務(wù)獲取到的消息順序截然不同。
4. 郵箱隊(duì)列
4.1. 不同之處
消息隊(duì)列和郵箱隊(duì)列的不同之處，在于底層隊(duì)列每個(gè)元素類型不一樣，看一眼源碼便知。
消息隊(duì)列傳遞的消息是地址，所以在初始化消息隊(duì)列的時(shí)候，環(huán)形隊(duì)列中每個(gè)元素都是空指針類型：
__API__ k_err_t tos_msg_q_create(k_msg_q_t *msg_q, void *pool, size_t msg_cnt) { //部分源碼省略 //重點(diǎn)：隊(duì)列中每個(gè)元素類型大小是sizeof(void*) err = tos_ring_q_create(&msg_q->ring_q, pool, msg_cnt, sizeof(void *)); if (err != K_ERR_NONE) { return err;
} return K_ERR_NONE;
}
而郵箱隊(duì)列傳遞的是值，所以在初始化底層用到的環(huán)形隊(duì)列時(shí)，每個(gè)元素的大小是由用戶指定的：
__API__ k_err_t tos_mail_q_create(k_mail_q_t *mail_q, void *pool, size_t mail_cnt, size_t mail_size) { //省略了部分源碼 //重點(diǎn)：每個(gè)元素的大小是mail_size，由用戶傳入?yún)?shù)指定 err = tos_ring_q_create(&mail_q->ring_q, pool, mail_cnt, mail_size); if (err != K_ERR_NONE) { return err;
} return K_ERR_NONE;
}
4.2. 郵箱隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)
這有什么好實(shí)現(xiàn)的~一個(gè)環(huán)形隊(duì)列+pend-post對象即可。
TencentOS-tiny中郵箱隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)在tos_mail_queue.h和tos_mail_queue.c中。
typedef struct k_mail_queue_st { knl_obj_t knl_obj; pend_obj_t pend_obj; k_ring_q_t ring_q;
} k_mail_q_t;
是不是沒什么區(qū)別~至于操作的API，更沒啥區(qū)別，不寫了，劃水劃水。
4.3. 郵箱隊(duì)列的使用示例
#define MAIL_MAX 10 typedef struct mail_st { char *message; int payload;
} mail_t; uint8_t mail_pool[MAIL_MAX * sizeof(mail_t)]; k_mail_q_t mail_q; void entry_task_receiver_higher_prio(void *arg) { k_err_t err; mail_t mail; size_t mail_size; while (K_TRUE) {
err = tos_mail_q_pend(&mail_q, &mail, &mail_size, TOS_TIME_FOREVER); if (err == K_ERR_NONE) {
TOS_ASSERT(mail_size == sizeof(mail_t)); printf("higher: msg incoming[%s], payload[%d]\n", mail.message, mail.payload);
}
}
} void entry_task_receiver_lower_prio(void *arg) { k_err_t err; mail_t mail; size_t mail_size; while (K_TRUE) {
err = tos_mail_q_pend(&mail_q, &mail, &mail_size, TOS_TIME_FOREVER); if (err == K_ERR_NONE) {
TOS_ASSERT(mail_size == sizeof(mail_t)); printf("lower: msg incoming[%s], payload[%d]\n", mail.message, mail.payload);
}
}
} void entry_task_sender(void *arg) { int i = 1; mail_t mail; while (K_TRUE) { if (i == 2) { printf("sender: send a mail to one receiver, and shoud be the highest priority one\n");
mail.message = "1st time post";
mail.payload = 1;
tos_mail_q_post(&mail_q, &mail, sizeof(mail_t));
} if (i == 3) { printf("sender: send a message to all recevier\n");
mail.message = "2nd time post";
mail.payload = 2;
tos_mail_q_post_all(&mail_q, &mail, sizeof(mail_t));
} if (i == 4) { printf("sender: send a message to one receiver, and shoud be the highest priority one\n");
mail.message = "3rd time post";
mail.payload = 3;
tos_mail_q_post(&mail_q, &mail, sizeof(mail_t));
} if (i == 5) { printf("sender: send a message to all recevier\n");
mail.message = "4th time post";
mail.payload = 4;
tos_mail_q_post_all(&mail_q, &mail, sizeof(mail_t));
}
tos_task_delay(1000);
++i;
}
}
運(yùn)行結(jié)果為：
TencentOS-tiny Port on STM32L431RCT6 By Mculover666
sender: send a mail to one receiver, and shoud be the highest priority one
higher: msg incoming[1st time post], payload[1]
sender: send a message to all recevier
higher: msg incoming[2nd time post], payload[2]
lower: msg incoming[2nd time post], payload[2]
sender: send a message to one receiver, and shoud be the highest priority one
higher: msg incoming[3rd time post], payload[3]
sender: send a message to all recevier
higher: msg incoming[4th time post], payload[4]
lower: msg incoming[4th time post], payload[4]
此示例主要演示了兩點(diǎn)：1. 如何使用郵箱隊(duì)列直接傳遞值；2. 喚醒一個(gè)等待任務(wù)和喚醒所有等待任務(wù)的區(qū)別。
5. 優(yōu)先級郵箱隊(duì)列
看到這里，這個(gè)不能再講了吧~
TencentOS-tiny中實(shí)現(xiàn)在tos_priority_mail_queue.c和tos_priority_mail_queue.h中。
可以自己嘗試根據(jù)前面的demo，編寫出一個(gè)使用優(yōu)先級郵箱隊(duì)列的demo，測試高優(yōu)先級的郵件是否會被先收到，然后將結(jié)果與第4節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。
越到文末我越浪，劃水已經(jīng)不能滿足了，博主要去摸魚~
6. 總結(jié)
按照慣例，對本文所講的內(nèi)容進(jìn)行一個(gè)總結(jié)。
本文主要講述了用于任務(wù)間通信的一些內(nèi)核對象，主要有四個(gè)：消息隊(duì)列和優(yōu)先級消息隊(duì)列，郵箱隊(duì)列和優(yōu)先級郵箱隊(duì)列。
接下來列出一些重要的點(diǎn)：
① 「在使用RTOS中的一些用于任務(wù)間通信的量時(shí)，要注意傳遞的是值還是地址。TencentOS-tiny中消息隊(duì)列傳輸?shù)氖堑刂?，而郵箱隊(duì)列傳遞的是值?！?/span>
② 「消息隊(duì)列和郵箱隊(duì)列基于環(huán)形隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，遵循FIFO規(guī)則；而優(yōu)先級消息隊(duì)列和優(yōu)先級郵箱隊(duì)列基于優(yōu)先級隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，遵循按照元素優(yōu)先級取出的規(guī)則?！?/span>
最后來回答題目中的問題：任務(wù)間通信為什么不使用全局變量？
① 無論是消息隊(duì)列還是郵箱隊(duì)列，都是利用了全局變量可以被隨意訪問的特性，所以使用時(shí)都會被定義為全局變量。
② 普通全局變量可用于一些簡單的任務(wù)間通信場合。
③ 相較于普通全局變量，加入隊(duì)列機(jī)制可以存儲多個(gè)消息，加入pend-post機(jī)制可以擁有任務(wù)等待和喚醒的機(jī)制，用于解決隊(duì)列已滿或隊(duì)列為空的問題。
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