【SmartOS】轻量级多任务调度系统
SmartOS是一个完全由新生命团队设计的嵌入式操作系统，主要应用于智能家居、物联网、工业自动化控制等领域。 ARM Cortex-M系列微处理器几乎全都做成单核心，对于业务逻辑较复杂的物联网就显得难以使用，因此SmartOS设计了两个多任务调度系统： 1，多线程调度，重量级，逼近PC操作系统多线程用法。使用上需要特别小心，要合理分配每一个线程的栈空间大小，任务越多越容易出问题 2，大循环，轻量级。每个任务注册一个函数指针，然后由主线程轮询各个任务函数，轮流执行 本文主要讲解第二种，轻量级多任务调度系统。 TaskScheduler是任务调度中心，Task表示单个任务。 SmartOS启动后会进入C/C++标准的main函数，在这里需要初始化各个模块，各个模块在初始化的时候，通过Sys.AddTask向系统注册任务函数。 一切就绪以后，在main最后一行，使用Sys.Start()进入大循环，开始调度。 Sys.Start实际上调用TaskScheduler.Start，从后面代码可以看出，这个Start内部有一个死循环。 每一个任务都需要指定4大参数：函数指针、回调参数、开始时间、调度周期。 调度中心将会维护并计算每一个任务的“下一次调度”时间。 显然，每一个任务函数获得CPU时间开始执行的时候，其它所有任务都没有机会执行。 原则上，当然是每个任务都尽量不要占用太长的时间。但是随着智能设备越来越复杂，应用系统也日渐复杂，为了满足需求，开发人员很希望在一个任务里面完成一系列连贯动作，获得跟PC上一样的体验，让任务假设自己独占CPU。 常规的大循环调度根本无法满足以上要求。 我们在这个基础上做了一点点改进，允许某个任务在休眠等待的时候，分出时间去调度其它函数。 例如，A、B、C多个任务正在工作。 其中A是主要业务逻辑，B是以太网驱动，定时询问网卡要数据。 A里面有一个功能，需要向服务器发送一个指令，然后等待响应。 如果这个时候A阻塞CPU，它永远也拿不到响应数据，即使响应数据已经到来！ 因为CPU被A独占了，B没有机会去问网卡要数据，也就不能把数据交给A。 我们把A的等待做一点点调整，A在调用Sys.Sleep等待一定时间的时候，调度中心不要浪费了这点时间，安排去调度其它任务，那么B就有机会执行，网络响应数据上冒到A业务附近的函数，最终被A获取，达到业务需求。 头文件
#ifndef __Task_H__
#define __Task_H__
#include "Sys.h"
#include "List.h"
class TaskScheduler;
// 任务
class Task
{
private:
TaskScheduler* _Scheduler;
friend class TaskScheduler;
Task(TaskScheduler* scheduler);
public:
uint ID; // 编号
Action Callback; // 回调
void* Param; // 参数
long Period; // 周期us
ulong NextTime; // 下一次执行时间
uint Times; // 执行次数
uint CpuTime; // 总耗费时间
uint SleepTime; // 当前睡眠时间
uint Cost; // 平均执行时间
bool Enable; // 是否启用
byte Reversed[3];// 保留，避免对齐问题
//~Task();
void ShowStatus(); // 显示状态
};
// 任务调度器
class TaskScheduler
{
private:
FixedArray<Task, 32> _Tasks;
uint _gid; // 总编号
friend class Task;
public:
string Name; // 系统名称
int Count; // 任务个数
Task* Current; // 正在执行的任务
bool Running; // 是否正在运行
byte Reversed[3];// 保留，避免对齐问题
TaskScheduler(string name = NULL);
~TaskScheduler();
// 创建任务，返回任务编号。dueTime首次调度时间us，period调度间隔us，-1表示仅处理一次
uint Add(Action func, void* param, ulong dueTime = 0, long period = 0);
void Remove(uint taskid);
void Start();
void Stop();
// 执行一次循环。指定最大可用时间
void Execute(uint usMax);
static void ShowStatus(void* param); // 显示状态
Task* operator[](int taskid);
};
#endif源代码
#include "Task.h"
/*
*/
Task::Task(TaskScheduler* scheduler)
{
_Scheduler = scheduler;
Times = 0;
CpuTime = 0;
SleepTime = 0;
Cost = 0;
Enable = true;
}
/*Task::~Task()
{
if(ID) _Scheduler->Remove(ID);
}*/
// 显示状态
void Task::ShowStatus()
{
debug_printf("Task::Status 任务 %d [%d] 执行 %dus 平均 %dus\r\n", ID, Times, CpuTime, Cost);
}
TaskScheduler::TaskScheduler(string name)
{
Name = name;
_gid = 1;
Running = false;
Current = NULL;
Count = 0;
}
TaskScheduler::~TaskScheduler()
{
Current = NULL;
_Tasks.DeleteAll().Clear();
}
// 创建任务，返回任务编号。dueTime首次调度时间us，period调度间隔us，-1表示仅处理一次
uint TaskScheduler::Add(Action func, void* param, ulong dueTime, long period)
{
Task* task = new Task(this);
task->ID = _gid++;
task->Callback = func;
task->Param = param;
task->Period = period;
task->NextTime = Time.Current() + dueTime;
Count++;
_Tasks.Add(task);
#if DEBUG
// 输出长整型%ld，无符号长整型%llu
//debug_printf("%s添加任务%d 0x%08x FirstTime=%lluus Period=%ldus\r\n", Name, task->ID, func, dueTime, period);
if(period >= 1000)
{
uint dt = dueTime / 1000;
int pd = period > 0 ? period / 1000 : period;
debug_printf("%s::添加任务%d 0x%08x FirstTime=%ums Period=%dms\r\n", Name, task->ID, func, dt, pd);
}
else
debug_printf("%s::添加任务%d 0x%08x FirstTime=%uus Period=%dus\r\n", Name, task->ID, func, (uint)dueTime, (int)period);
#endif
return task->ID;
}
void TaskScheduler::Remove(uint taskid)
{
int i = -1;
while(_Tasks.MoveNext(i))
{
Task* task = _Tasks[i];
if(task->ID == taskid)
{
_Tasks.RemoveAt(i);
debug_printf("%s::删除任务%d 0x%08x\r\n", Name, task->ID, task->Callback);
// 首先清零ID，避免delete的时候再次删除
task->ID = 0;
delete task;
break;
}
}
}
void TaskScheduler::Start()
{
if(Running) return;
#if DEBUG
//Add(ShowTime, NULL, 2000000, 2000000);
Add(ShowStatus, this, 10000000, 30000000);
#endif
debug_printf("%s::准备就绪 开始循环处理%d个任务！\r\n\r\n", Name, Count);
Running = true;
while(Running)
{
Execute(0xFFFFFFFF);
}
debug_printf("%s停止调度，共有%d个任务！\r\n", Name, Count);
}
void TaskScheduler::Stop()
{
debug_printf("%s停止！\r\n", Name);
Running = false;
}
// 执行一次循环。指定最大可用时间
void TaskScheduler::Execute(uint usMax)
{
ulong now = Time.Current() - Sys.StartTime; // 当前时间。减去系统启动时间，避免修改系统时间后导致调度停摆
ulong min = UInt64_Max; // 最小时间，这个时间就会有任务到来
ulong end = Time.Current() + usMax;
// 需要跳过当前正在执行任务的调度
//Task* _cur = Current;
int i = -1;
while(_Tasks.MoveNext(i))
{
Task* task = _Tasks[i];
//if(task && task != _cur && task->Enable && task->NextTime <= now)
if(task && task->Enable && task->NextTime <= now)
{
// 不能通过累加的方式计算下一次时间，因为可能系统时间被调整
task->NextTime = now + task->Period;
if(task->NextTime < min) min = task->NextTime;
ulong now2 = Time.Current();
task->SleepTime = 0;
Current = task;
task->Callback(task->Param);
Current = NULL;
// 累加任务执行次数和时间
task->Times++;
int cost = (int)(Time.Current() - now2);
if(cost < 0) cost = -cost;
//if(cost > 0)
{
task->CpuTime += cost - task->SleepTime;
task->Cost = task->CpuTime / task->Times;
}
#if DEBUG
if(cost > 500000) debug_printf("Task::Execute 任务 %d [%d] 执行时间过长 %dus 睡眠 %dus\r\n", task->ID, task->Times, cost, task->SleepTime);
#endif
// 如果只是一次性任务，在这里清理
if(task->Period < 0) Remove(task->ID);
}
// 如果已经超出最大可用时间，则退出
if(!usMax || Time.Current() > end) return;
}
// 如果有最小时间，睡一会吧
now = Time.Current(); // 当前时间
if(min != UInt64_Max && min > now)
{
min -= now;
#if DEBUG
//debug_printf("TaskScheduler::Execute 等待下一次任务调度 %uus\r\n", (uint)min);
#endif
//// 最大只允许睡眠1秒，避免Sys.Delay出现设计错误，同时也更人性化
//if(min > 1000000) min = 1000000;
//Sys.Delay(min);
Time.Sleep(min);
}
}
// 显示状态
void TaskScheduler::ShowStatus(void* param)
{
TaskScheduler* ts = (TaskScheduler*)param;
int i = -1;
while(ts->_Tasks.MoveNext(i))
{
Task* task = ts->_Tasks[i];
if(task) task->ShowStatus();
}
}
Task* TaskScheduler::operator[](int taskid)
{
int i = -1;
while(_Tasks.MoveNext(i))
{
Task* task = _Tasks[i];
if(task && task->ID == taskid) return task;
}
return NULL;
}外部注册函数
// 任务
#include "Task.h"
// 任务类
TaskScheduler* _Scheduler;
// 创建任务，返回任务编号。priority优先级，dueTime首次调度时间us，period调度间隔us，-1表示仅处理一次
uint TSys::AddTask(Action func, void* param, ulong dueTime, long period)
{
// 屏蔽中断，否则可能有线程冲突
SmartIRQ irq;
if(!_Scheduler) _Scheduler = new TaskScheduler("系统");
return _Scheduler->Add(func, param, dueTime, period);
}
void TSys::RemoveTask(uint taskid)
{
assert_ptr(_Scheduler);
_Scheduler->Remove(taskid);
}
void TSys::SetTask(uint taskid, bool enable)
{
Task* task = (*_Scheduler)[taskid];
if(task) task->Enable = enable;
}
void TSys::Start()
{
if(!_Scheduler) _Scheduler = new TaskScheduler("系统");
#if DEBUG
//AddTask(ShowTime, NULL, 2000000, 2000000);
#endif
if(OnStart)
OnStart();
else
_Scheduler->Start();
}
void TSys::StartInternal()
{
_Scheduler->Start();
}
void TSys::Stop()
{
_Scheduler->Stop();
}
void TimeSleep(uint us)
{
// 在这段时间里面，去处理一下别的任务
if(_Scheduler && (!us || us >= 1000))
{
// 记录当前正在执行任务
Task* task = _Scheduler->Current;
ulong start = Time.Current();
// 1ms一般不够调度新任务，留给硬件等待
ulong end = start + us - 1000;
// 如果休眠时间足够长，允许多次调度其它任务
int cost = 0;
while(true)
{
ulong start2 = Time.Current();
_Scheduler->Execute(us);
ulong now = Time.Current();
cost += (int)(now - start2);
// us=0 表示释放一下CPU
if(!us) return;
if(now >= end) break;
}
if(task)
{
_Scheduler->Current = task;
task->SleepTime += cost;
}
cost = (int)(Time.Current() - start);
if(cost > 0) return;
us -= cost;
}
if(us) Time.Sleep(us);
}
void TSys::Sleep(uint ms)
{
// 优先使用线程级睡眠
if(OnSleep)
OnSleep(ms);
else
{
#if DEBUG
if(ms > 1000) debug_printf("Sys::Sleep 设计错误，睡眠%dms太长，超过1000ms建议使用多线程Thread！", ms);
#endif
TimeSleep(ms * 1000);
}
}
void TSys::Delay(uint us)
{
// 如果延迟微秒数太大，则使用线程级睡眠
if(OnSleep && us >= 2000)
OnSleep((us + 500) / 1000);
else
{
#if DEBUG
if(us > 1000000) debug_printf("Sys::Sleep 设计错误，睡眠%dus太长，超过1000ms建议使用多线程Thread！", us);
#endif
TimeSleep(us);
}
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原始发表：2017-09-03 ，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除
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