RTOS内功修炼记（六）—— 任务间通信为什么不用全局变量？
RTOS内功修炼记（六）—— 任务间通信为什么不用全局变量？
内容导读：
第一篇文章讲述了任务的三大元素：任务控制块、任务栈、任务入口函数，并讲述了编写RTOS任务入口函数时三个重要的注意点。
第二篇文章从任务如何切换开始讲起，引出RTOS内核中的就绪列表、优先级表，一层一层为你揭开RTOS内核优先级抢占式调度方法的神秘面纱。
第三篇文章讲述了RTOS内核到底是如何管理中断的？用户该如何编写中断处理函数？以及用户如何设置临界段？
第四篇文章讲述了RTOS内核中所有与时间相关的内容，包括时钟管理、时间管理、任务延时机制、空闲任务、软件定时器、时间片调度：
第五篇文章讲述了RTOS内核中各种任务同步量的实现，虽然多种多样，但是万变不离其宗，一是全局变量，而是pend-post机制。
「建议先阅读上文，对RTOS内核的抢占式调度机制和时间片调度机制、RTOS内核对中断的处理机制与裸机的不同之处、RTOS中任务延时的机制、pend-post机制理解之后，再阅读本文也不迟。」
1. 知识点回顾
队列（queue）是一种只能在一端插入元素、在另一端删除元素的数据结构，遵循先入先出（FIFO）的规则。
环形队列（ring queue）可以方便的重复利用这段内存空间，同样遵循先入先出（FIFO）的规则。
优先级队列（prio queue）不遵循FIFO，而是根据元素的优先级进行出队，优先级最高的先出队。
「本文的所有内容都是基于这两个数据结构」，TencentOS-tiny中环形队列和优先级队列的实现和使用示例请阅读文章：
2. 消息队列
2.1. 什么是消息队列
消息队列，Message Queue，顾名思义包含两部分：消息+队列，或者可以理解为消息的队列。
① 消息是什么？
两个不同的任务之间传递数据时，这个数据就称之为消息，这个消息可以是一个整型值，浮点值，甚至一个结构体，一个指针……所以，在使用不同的RTOS的消息队列时，「一定要注意传递的是值还是该值的地址」。
传递值的缺点是值的长度有大有小，导致整个消息队列的长度有大有小。
一个指针的长度是固定的4字节，传递值的时候，无论值是什么类型，只传递该值的地址。
传递地址当然也有缺陷，当动态任务task1中定义了一个局部变量，然后把该局部变量的地址传给了task2，随即task1因为某种原因被销毁，内存回收，导致指向该局部变量的指针变为野指针，非常危险，不过不用慌，小问题，在编程的时候注意避免即可。
「在TencentOS-tiny中，消息队列中传递的消息指的是地址，邮箱队列传递的消息是值」。
② 队列是什么？
消息队列如果底层使用环形队列存储消息，则成为消息队列，遵循：先送入的消息先被取出。
消息队列如果底层使用优先级队列存储消息，则成为优先级消息队列，遵循：优先级最高的消息最先被取出。
「在TencentOS-tiny中，这两种消息队列都有，下面一一讲述。」
③ pend-post机制
无论是什么队列，都存在两种情况：当队列满了的时候，元素再入队会发生错误；当队列为空的时候，元素出队同样会发生错误。
这种问题可以巧妙的在队列基础之上用pend-post机制解决，即等待-释放机制。
当队列「满了」的时候，前来入队的task1可以选择pend一段时间或者永久等待，「一旦有元素被task2出队」，调用post释放一个信号，「唤醒等待中的task1」。
同样，当队列「空了」的时候，前来出队的task1可以选择pend一段时间或者永久等待，「一旦有元素被task2入队」，调用post释放一个信号，「唤醒等待中的task1」。
是不是很巧妙？
接下来上源码！上Demo！一看便知~
2.2. 消息队列的实现
TencentOS-tiny中消息队列的实现在 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;
一个pend_obj对象用来实现pend-post机制，一个ring_q环形队列用来存储消息。
是不是和我讲述的没错？学透了之后，其实一切都没有那么神秘的~
再来看看从消息队列中获取消息的API实现：
__API__ k_err_t tos_msg_q_pend(k_msg_q_t *msg_q, void **msg_ptr, k_tick_t timeout)
{
//省略了部分源码
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;
}
向消息队列中存放消息的API实现如下：
__STATIC__ k_err_t msg_q_do_post(k_msg_q_t *msg_q, void *msg_ptr, opt_post_t opt)
{
//省略了部分源码
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;
}
从源码中可以看到，如果opt标志为 OPT_POST_ONE，表示唤醒一个，则唤醒该消息队列等待列表上任务优先级最高的那个；如果opt标志为 OPT_POST_ALL，则全部唤醒。
2.3. 消息队列的使用示例
#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);
}
执行结果如下：
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. 优先级消息队列
3.1. 优先级消息队列的实现
实现和消息队列类似，通过在优先级队列的基础上加上pend-post机制来实现。
TencentOS-tiny中优先级消息队列的实现在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用于挂载等待该优先级消息队列的任务，prio_q和prio_q_mgr_array合起来实现优先级队列。
消息入队和消息出队的API实现与消息队列的实现思想一模一样，这里不再讲解。
3.2. 优先级消息队列的使用示例
#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);
}
运行结果如下：
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]
❝将第2节的结果和第3节的结果对比，就会发现同样的消息发送顺序，因为使用不同的消息队列，任务获取到的消息顺序截然不同。 ❞
4. 邮箱队列
4.1. 不同之处
消息队列和邮箱队列的不同之处，在于底层队列每个元素类型不一样，看一眼源码便知。
消息队列传递的消息是地址，所以在初始化消息队列的时候，环形队列中每个元素都是空指针类型：
__API__ k_err_t tos_msg_q_create(k_msg_q_t *msg_q, void *pool, size_t msg_cnt)
{
//部分源码省略
//重点：队列中每个元素类型大小是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;
}
而邮箱队列传递的是值，所以在初始化底层用到的环形队列时，每个元素的大小是由用户指定的：
__API__ k_err_t tos_mail_q_create(k_mail_q_t *mail_q, void *pool, size_t mail_cnt, size_t mail_size)
{
//省略了部分源码
//重点：每个元素的大小是mail_size，由用户传入参数指定
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. 邮箱队列的实现
这有什么好实现的~一个环形队列+pend-post对象即可。
TencentOS-tiny中邮箱队列的实现在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;
是不是没什么区别~至于操作的API，更没啥区别，不写了，划水划水。
4.3. 邮箱队列的使用示例
#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;
}
}
运行结果为：
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]
❝此示例主要演示了两点：1. 如何使用邮箱队列直接传递值；2. 唤醒一个等待任务和唤醒所有等待任务的区别。 ❞
5. 优先级邮箱队列
看到这里，这个不能再讲了吧~
TencentOS-tiny中实现在tos_priority_mail_queue.c 和tos_priority_mail_queue.h中。
可以自己尝试根据前面的demo，编写出一个使用优先级邮箱队列的demo，测试高优先级的邮件是否会被先收到，然后将结果与第4节的实验结果进行对比。
越到文末我越浪，划水已经不能满足了，博主要去摸鱼~
6. 总结
按照惯例，对本文所讲的内容进行一个总结。
本文主要讲述了用于任务间通信的一些内核对象，主要有四个：消息队列和优先级消息队列，邮箱队列和优先级邮箱队列。
接下来列出一些重要的点：
① 「在使用RTOS中的一些用于任务间通信的量时，要注意传递的是值还是地址。TencentOS-tiny中消息队列传输的是地址，而邮箱队列传递的是值。」
② 「消息队列和邮箱队列基于环形队列实现，遵循FIFO规则；而优先级消息队列和优先级邮箱队列基于优先级队列实现，遵循按照元素优先级取出的规则。」
最后来回答题目中的问题：任务间通信为什么不使用全局变量？
① 无论是消息队列还是邮箱队列，都是利用了全局变量可以被随意访问的特性，所以使用时都会被定义为全局变量。
② 普通全局变量可用于一些简单的任务间通信场合。
③ 相较于普通全局变量，加入队列机制可以存储多个消息，加入pend-post机制可以拥有任务等待和唤醒的机制，用于解决队列已满或队列为空的问题。
本文就讲到这里啦~我是喜欢玩板子的小码农Mculover666，下期文章再见！