【RTOS训练营】任务调度(续)、任务礼让、调度总结、队列和晚课提问
【RTOS训练营】任务调度(续)、任务礼让、调度总结、队列和晚课提问
一：任务调度(续)
上一节课讲调度，我们还没有讲完，
调度是理解后续所有知识的基础，可以说调度是RTOS中最重要的部分。
今天有一个同学提了这么一个问题，实时性怎么体现?
实时性，就体现在下面3点：
- 中断优先级，高于 任务优先级。“中断优先级最低”的中断，高于“任务优先级最高”的任务
- 中断里，高优先级的中断，会抢占低优先级的中断
- 任务里，高优先级的任务，会抢占低优先级的任务
对于中断先不管，
常用的调度策略是这样的：可抢占，时间片轮转，空闲任务礼让。
高优先级的任务一旦就绪，他马上就可以执行。
他一直独占CPU，一直执行，直到他休眠。
高优先级的任务，他只会跟同级的任务轮流执行，如果高优先级的任务只有他一个，他会一直独霸CPU。
如果高优先级的任务只有他一个，这时候就不存在什么时间片轮转。
就绪的任务，大家的优先级都相同，这时候才会使用时间片轮转。
那如果我们配置内核不使用时间片轮转：既然不轮流执行，那就是独占。
- 有高优先级的任务就绪了，他可以马上执行
- 如果大家的优先级都相同，只有当前任务主动放弃运行，别的任务才可以运行
- 假设任务一，任务二的优先级都是1，任务3的优先级是2。 任务3平时休眠，任务3一旦就绪，他马上就可以执行。 任务3再次放弃CPU的时候，就会导致一次调度
我们来看看一个图：
大家可以看到，在任务三休眠的那一瞬间，会触发调度。
第1个红色箭头：切换到任务1
第2个红色箭头，切换到任务2
第3个红色箭头，切换到任务1
第4个红色箭头，切换到任务2
第5个红色箭头，切换到空闲任务
大家可以看到，如果不轮流执行，只有两种情况：
- 贪婪的任务，可以一直霸占CPU
- 优先级高的任务，可以抢占CPU
- 当优先级高的任务休息了，底下那些贪婪的任务才会重新分配CPU
大家一定要注意，轮转，只发生在同级的任务之间。
二：任务礼让
接下来再讲讲礼让。
礼让，也只是发生在同级任务之间：空闲任务、其他优先级也是0的任务。
如果有任务的优先级大于0，他一旦就绪，根本就轮不到空闲任务执行：这时候谈何礼让？
在上一节课里我们布置了作业，作业1提到“task1、task2都执行了2次之后，为什么空闲任务推迟那么久才执行？”
这就是因为礼让。
再来分析一下上节课的作业，这个作业有助于大家理解调度。
我们创建了三个任务，启动调度器的时候又创建了空闲任务。
任务1、2，空闲任务，优先级都是0，他们被放在同一个链表。
- 任务3优先级最高，他先运行，然后主动调用vTaskDelay，放弃了CPU，这会触发一次调度
- 从优先级为0的那个链表里, 取出任务一来运行，任务一被放到队列的后面
- 一毫秒到了之后,从队列里取出第1个任务也就是任务2。他开始运行,并且也被放到了队列后面。
- 一毫秒到了之后，从队列里面取出第1个任务也就是空闲任务，他开始运行
大家可以看到，空闲任务实际上也是在运行的。
运行顺序是这样：task3, task1, task2, idle task
我们在逻辑分析仪里看不到，是因为还没有运行到钩子函数，空闲任务就主动放弃运行。
我们是在下面的钩子函数里，设置那个变量：
主动放弃之后，链表是这样的：
礼让之后，task1运行1ms、task2运行1ms
然后，空闲任务再次运行：从哪里开始运行？
对于空闲任务，他是一个死循环，把这个死循环精简了一下：
从代码可以得知空闲任务做的所有事情：
- 清理工作很重要，礼让之前我先清理
- 什么情况下礼让？
pxReadyTasksLists[ tskIDLE_PRIORITY ] 就是： pxReadyTasksLists[ 0 ]
它里面存放的是：优先级为0的就绪任务。
如果这个队列的长度大于1，是不是意味着：除了空闲任务，还有其他优先级为0的就绪任务？
如果有其他优先级为0的就绪任务，我就礼让一下：发起一次调度，空闲任务躲到最后，让你们先运行。
当任务一、任务二，都执行了1ms，就能到空闲任务再次运行：
task1运行1次，
task2运行1次，
第1次礼让：task1运行1次，task2运行1次，idle任务运行1次, idle任务马上礼让
第2次task1运行1次，task2运行1次，idle任务继续运行
第一次礼让时不是空闲任务也执行了吗，为什么说没执行呢？
运行了，只是还没执行到钩子函数，我们在示波器上看不出来。
三：调度总结
我们再来总结一下调度：
1.默认了调度策略：可抢占、时间片轮转、空闲任务礼让
2.提几个问题：
假设 task1, task2优先级都是0，task3优先级是2
a. task3不休眠的话， task1, task2, idle任务都无法执行：对不对？ 答案：对
b. task3不休眠的话， 中断也无法执行：对不对？ 答案：不对
c. 高优先级的任务，应该尽快执行，然后让出CPU：对不对？答案：对
d. task1, task2从不休眠，空闲任务有没有机会执行？答案：有，轮转
e.task3从不休眠，空闲任务有没有机会执行？ 答案：没有
- 高优先级任务会抢占低优先级的任务
- 同优先级的任务，轮流执行
- 空闲任务，跟其他同级的任务，也是轮流执行：只不过空闲任务执行的时间比较短，他会主动放弃CPU
- 中断，比所有的任务优先级都更高
理解这些队列，关键在于：
- 调度的时候，从
pxReadyTasksLists[31]、pxReadyTasksLists[30]、……、pxReadyTasksLists[0]，按照优先级从高往下查找这些队列 - 找出优先级最高的任务，来运行
- 最高优先级的任务，如果有多个的话，就轮流执行
- 有更高优先级的任务就绪任务时，低优先级的任务没有机会执行
- 任务调度的核心：当前任务执行完1tick，就乖乖的到后面去排队 调度时，取出队列的第1个任务，让他运行。
四：队列
多个任务之间传递信息，非常简单，用全局变量就可以。
如果你简单的使用全局变量来传递信息，会有一些缺点。
我们前面的程序，每个任务里面故意打印很短的字符串。
你们可以试验一下，你把这些字符串拉长，你会发现这些字符串会混杂在一起打印。
为什么呢？因为每个任务只能够运行一个tick，你打印很长的字符串的话，打印到中间的时候就被切换出去了，轮到别人打印了。
我们想写一个打印函数： 我打印之前，我会判断一下：如果有别的任务在使用串口，我就先不打印了，不去破坏别人。
来看看使用全局变量来怎么写代码：
这种方法行不行？我有一个全局变量，每个人都想去调用这个函数的话，都先判断一下。
大家一定要有一个概念，多任务： 假设有两个任务a和B，任务A执行的过程中，随时可能被任务B打断。
因此，可能出现这种情况：
task1执行到①的时候，它读入这个变量，发现是1。
在红线位置，被切换出去了，轮到task2运行，task2打印部分后，切换task1打印，就跳过了task1的判断，导致两个task打印交叉在一起。
再举一个例子：
我们可以直接上来就把这个变量减1，但是，减1的操作分为：读、减、写。
假设你刚读进来，就被切换出去了，
任务一和任务二，按照上面的黑色箭头运行，结果这两个任务还可以同时使用串口。
这种现象，是因为这两个任务都想去写同一个变量。
那如果这个变量，一个任务读，一个任务写，是不是就可以解决这种冲突的问题？
我们现在假设有两个任务，任务一做一个复杂的计算，任务2在等待他计算完成。
使用一个全局变量g_cal_ok来同步，任务1计算完之后，设置这个变量等于1，任务2循环检测这个变量，死等这个变量等于1。
上面的代码没有问题，可以正确运行，但是有什么缺点？
大家看到了，没有休眠-唤醒 机制。
使用全局变量，确实可以协调这些任务，但是没有休眠唤醒机制，task2一直在死循环等待。
如果我能够让任务2休眠，等任务一运行完毕，再让任务二重新运行，任务1就可以独占CPU，计算的更快。
任务之间可以有同步、互斥这样的操作，同步、互斥，怎么理解呢？
同步、 互斥，相辅相成。
一句话理解同步与互斥：我等你用完卫生间，我再用卫生间。
什么叫同步？就是：哎哎哎，我正在用卫生间，你等会。
什么叫互斥？就是：哎哎哎，我正在用卫生间，你不能进来。
同步与互斥经常放在一起讲，是因为它们之的关系很大，而且“互斥”操作可以使用“同步”来实现。
我“等”你用完卫生间，我再用卫生间，这就是用“同步”来实现“互斥”。
分别举个应用的例子：
同步： Gui界面，在等待按键。这就是同步，同步的意思“等待”。
互斥：有两个程序都想去做全屏的屏幕显示，如果他们同时去使用屏幕，屏幕就是乱糟糟了。这个时候，我用屏幕时你不能够用，你用屏幕时我不能够用，这就是互斥。
同步强调先后，前后有依赖；互斥强调独占。
五：晚课学员提问
1. 问： 老师，有两个问题，FreeRTOS是实时系统体现在那个方面啊？
另外Task的调度抢占是可以发生在任意时刻吗？
比如正在执行与调度中断同优先级的其他中断，那么Tick中断来了也会去调度Task去执行吗？？
答： 1. 中断优先级，高于 任务优先级。“中断优先级最低”的中断，高于“任务优先级最高”的任务。
2.中断里，高优先级的中断，会抢占低优先级的中断
3.任务里，高优先级的任务，会抢占低优先级的任务
2. 问： FreeRTOS有没有划分可抢占的区间，不可抢占的区间？
答： 当然有，比如：
- 关闭中断
- 执行代码
- 开启中断 在步骤2里，就是不可抢占的区间
3. 问： 那tick的中断优先级是最高的吗？
如果有比tick中断优先级更高的中断在运行是不是就要等高优先级中断执行完？
freertos有哪些情况下是要关闭中断再执行代码的？
答： 1.并不是tick中断优先级最高，它并不高，哪个中断优先级最高，由设计者决定。比如防火系统中，当然是烟雾报警的中断优先级最高。
2.高优先级的中断先运行，低优先级的中断当然要等
3.哪些情况下关闭中断？这也是由设计者决定，在中断A的处理函数里，它不想被高优先级的中断B抢占，A的函数就可以先关闭中断
4. 问： 老师我有一个问题 如果我有一个双核处理器，rtos是不是会自动同时运行两个同优先级的任务？
答： 你这样想问题：
- 双核处理器：看到的队列时一样的
- 如果队列里有3个任务：task3优先级最高，task1,2优先级相同
- 你觉得怎样运行更合理？
无论哪个CPU核，都是去队列里找到任务来运行
a.CPU1从队列里找到最高优先级的task3，运行
b.CPU2也不能闲着啊，它也去队列里找任务：task3? 不是，已经在运行了。所以它找到task1或task2，运行task1或task2
c.假设CPU2运行的是task1，1ms后从队列里挑出task2
5. 问： 常用的任务调度策略有：可抢占，时间片轮转，空闲任务礼让。
这是所有实时系统的常用策略吗？还是只是freertos？
答： 是常用策略，前面两个:可抢占\时间片轮转, 都是相同的。
空闲任务礼让：有些RTOS并没有这种说法
6. 问： 钩子函数是在空闲任务的时间段里周期的运行？
答： 1. 空闲任务：它里面有一个死循环，循环里面会调用钩子函数
- 但是执行的时间并不是周期的，空闲任务地位很低，执行时间没有保障了
7. 问： 礼让的条件是什么呀？
答： 我们配置了：可抢占、礼让，并且有其他“优先级为0的任务”就绪了。
8. 问： 那如果任务执行时间超过一个tick，且当前只有另外一个同级的任务，那么是会切换执行另一个同级任务的吧？
答： 一定会切换的。一个任务一般来说都是一个死循环，它期待的执行时间是“永远”。
9. 问： 老师。假设现在有task1 task2 task3三个任务。
task1为算法处理任务，task2 task3为传感器数据采集任务都是100hz，
task1要分别拿到task2和task3发过来的数据才去做算法的处理，
我现在做法是创建两个队列，用作task2 task3传输数据给task1，然后task1分别顺序等待两个队列都成功返回再往下处理算法。
这种方式可以吗？还有更好的方式吗？
答： 每次处理，都必须得到任务二、任务三的数据，顺序地、分别等待当然没问题
10. 问： 老师，普通任务会执行taskYIELD()函数主动放弃CPU吗？
答： 会的。
11. 问： 老师，如果是一个比较复杂的系统。有很多显示界面。那么所有的显示界面在一个任务里处理呢？还是各个任务分别调用GUI函数做显示？
答： 一般来说会有一个统一管理界面的任务。
12. 问： 老师，那Linux或安卓也也是显示有一个单独的任务来处理吗？只有显示任务里可以调用GUI函数？
答： 是的，有一个窗口管理的程序，其他任务都有自己的虚拟的显存，窗口管理的程序会根据他们的叠加关系组装出数据，再写LCD。