rt-thread的位图调度算法分析
来源:互联网 发布:程序员php 编辑:程序博客网 时间:2024/05/17 07:46
序言
期待读者
本文期待读者有C语言编程基础,后文中要分析代码,
如何阅读代码
就以rt-thread内核代码为例(注,指rt-
- MDK/IAR/其他集成开发环境,最好支持软件仿真,
我使用MDK4.0 - 强大的代码阅读软件source insight
- 一个笔记本,随时用来记录自己的一些想法,感悟,或者困惑
首先使用source insight创建一个rt-thread的工程,
一切就绪有以后,面对浩如烟海的代码(8500行),
rt-thread的内核调度算法
rt-thread的内核调度算法采用位图(bitmap)
rt-
《rt-thread编程指南》中已经大致介绍了,rt-
当系统存在多个线程时,可能的情况是,
在上面的情形中,摆在rt-thread面前的问题就,
线程结构存储
实际上,寻找当前线程优先级最高的线程并调度执行,
现在让我们做几点说明:
- 每一个线程的信息用线程控制块来表示,线程控制块,即Thread Control-Block,缩写为TCB,它是在rtdef.
h中定义一个struct结构体, 这个结构体的作用就是用来描述一个线程所有必要信息。 - 线程的优先级别用非负整数(即无符号整数)表示,
并且优先级越高,对应的数越小 - 系统的线程优先级的数目固定,最多支持256级
- 系统中的线程数目不做任何限制,
线程的数目仅受限于系统RAM的大小。 重点来考虑最后两点,我们来思考一下,当系统存在多个的线程时, 也就是说会有多个TCB时,我们怎么来“排列” 或者存储这些TCB,才能实现上面的这两点要求?
线程的优先级别数目固定,显然我们可以使用一个数组来定义,
线程数目不受限制,那当某个线程优先级上存在多个线程时,
这样我们就可以达到上面提及的两点设计要求,
scheduler.c 中
...(1) rt_list_t rt_thread_priority_table[RT_THREAD_PRIORITY_MAX];(2) struct rt_thread *rt_current_thread;(3) rt_uint8_t rt_current_priority;#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32/* maximun priority level, 256 */(4) rt_uint32_t rt_thread_ready_priority_group;(5) rt_uint8_t rt_thread_ready_table[32];#else/* maximun priority level, 32 */(6)rt_uint32_t rt_thread_ready_priority_group;#endif...
这里我们假定RT_THREAD_PRIORITY_
- 语句(1)即定义了线程TCB数组。
该数组的每一个元素是一个rt_list_t类型的元素, 实际上这就是一个链表的数据结构。 - 语句(2)中定义了一个指针,从名称上来看,即当前线程,
struct rt_thread就是线程TCB数据结构类型。 - 语句(3)定了当前的优先级。
- 语句(4)当前的ready优先级组。
- 语句(5)定了一个数组,语句(6)定义了一个u32的变量,
它们是做什么用的呢?我们稍后分析。
rt-thread中的线程数据结构的存储问题已经解决,
位图调度算法
调度算法首先要找出所有线程优先级中优先级最高的那个线程优先级
调度算法1
for(i=0; i<256; i++) { if(rt_thread_priority_table[i] != NULL) break; } highest_ready_priority = i;
上面这种做法是可以正确调度最高优先级的线程,
因此,我们要寻找一种具有恒定执行时间的调度算法 。
首先来考虑,每一个优先级上是否存在线程,这是一个是/否问题,
对于256级的线程,则共需要256个bit位。理想的情况是,
现在需要约定,这32个字节即256个bit,
来考虑这32个字节中的第一个字节。
单元格中的内容表示对应的优先级。 每一行为对应的一个字节,每一列为各个bit位。
bit7 6 5 4 3 2 1 0byte0 |007|006|005|004|003|002|001|000|byte1 |0l5|014|013|012|011|010|009|008|.................................byte32|255|254|253|252|251|250|249|248|
上面这32个字节所组成的256个bit,
(5) rt_uint8_t rt_thread_ready_table[32];
举个例子,我们创建了一个线程,并且指定了它的优先级是125,
优先级125 对应那个字节的哪个bit呢?
这里有个换算关系。其计算公式 :
(优先级别 / 8 )商取整数即对应位图中的字节 (优先级别 % 8 )就是对应位图字节中的bit位
即优先级125, 125 / 8 = 15 , 125 %8 = 5. 位图的BIT125就是 rt_thread_ready_table[15]的BIT5
为了下面叙述的方便,做如下说明:
- 位图,就指的是数组rt_uint8_t rt_thread_ready_table[32]
这32个字节组成的256个bit。
我们的系统需要根据各个线程的状态,实时的更新这个位图。
自然,我们面临的问题是,寻找优先级最高的线程的问题,
下面是一种显然调度思路的思路,即依次遍历数组rt_
调度算法2
for(i=0; i<32; i++){ for(j=0; j<8; j++) { if (rt_thread_priority_table[i] & (1<<j) ) break;//这就是找到最低的那个为1的bit位置了。 } //下面就是我们找到的最高优先级 highest_ready_priority = i * 8 + j;}
算法2可以工作,但依然存在问题,
算法2的问题就是,每次调度函数执行的时间不恒定,
我们来改进调度算法2,它之所以耗费时间为O(N),
现在我们将位图看作一个变量,并假定当前优先级别为8,
位图取值 最低为1的bit位
- 0x01 0 (第0个bit位为1)
- 0x02 1 (第1个bit位为1)
- 0x03 0 (第0个bit位为1)
- ....
- 0xff 0 (第0个bit为1)
注意0x0比较特殊,全部bit位都是0,我们返回0,
我们可以写一个简单的程序来生成这个表格。
gettab.py
#coding=gbk#打印一个字节的最低bit位,可能的值为0,1,2,3,4,5,6,7samples = 256def getlowbit(byte): c = 0 for i in range(0,8): if(byte & 0x01): return c c = c+1 byte = byte >> 1 return 0line =""for i in range(0,samples): print "%d," %getlowbit(i), if((i+1)%16 == 0): print "\n"
就可以得到如下的表了:
const rt_uint8_t rt_lowest_bitmap[] ={ /* 00 */ 0, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /* 10 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /* 20 */ 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /* 30 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /* 40 */ 6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /* 50 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /* 60 */ 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /* 70 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /* 80 */ 7, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /* 90 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /* A0 */ 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /* B0 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /* C0 */ 6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /* D0 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /* E0 */ 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /* F0 */ 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0};
注意,我们的问题依然没有解决,当进程优先级为8时,
32个优先级,即优先级位图变量可以使用u32型,
- 假定当前u32 rt_thread_priority_
bitmap维护着当前系统优先级位图。
调度算法3
/* * rt_thread_priority_bitmap 用来表示当前系统优先级位图。 * highest_ready_priority表示当前系统中最高优先级 */ if (rt_thread_priority_bitmap & 0xff) { highest_ready_priority = rt_lowest_bitmap[rt_thread_priority_bitmap & 0xff]; } else if (rt_thread_priority_bitmap & 0xff00) { highest_ready_priority = rt_lowest_bitmap[(rt_thread_priority_bitmap >> 8) & 0xff] + 8; } else if (rt_thread_priority_bitmap & 0xff0000) { highest_ready_priority = rt_lowest_bitmap[(rt_thread_priority_bitmap >> 16) & 0xff] + 16; } else { highest_ready_priority = rt_lowest_bitmap[(rt_thread_priority_bitmap >> 24) & 0xff] + 24; }
现在我们解决了32个系统优先级时的调度问题,
为了解决这个问题,我们使用二级位图。
即,256个bit由32个字节存储,
rtt中对应的数组为rt_uint8_t rt_thread_ready_table[32]
所谓二级位图,即我们先确定32个字节中最低的非0的字节。
根据上面的分析,要想使用这个二级位图算法,
thread.c
rt_err_t rt_thread_startup(rt_thread_t thread){ ... /* set current priority to init priority */ thread->current_priority = thread->init_priority; (1) thread->number = thread->current_priority >> 3; /* 5bit */(2) thread->number_mask = 1L << thread->number;(3) thread->high_mask = 1L << (thread->current_priority & 0x07); /* 3bit */ ...}void rt_schedule_insert_thread(struct rt_thread *thread) { ...#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX > 32(4) rt_thread_ready_table[thread->number] |= thread->high_mask;#endif(5) rt_thread_ready_priority_group |= thread->number_mask; ....}
初始化线程时,我们指定了一个线程的优先级别thread->
- 语句(1)thread->current_priority >> 3,这里的>>3就是除以8,因为一个字节表示8个优先级。
这样就可以得到当前这个优先级对应的位图32个字节中的第几个字 节,这里用thread->number表示,显然, number范围是0到31。这里为了提高效率, 采用移位完成除法。 - 上面除法的余数,就表示这个优先级在上面字节中的第几个bit。
这个余数可以使用 (thread->current_priority & 0x07)来表示。 - 语句(3)是得到该bit对应的权值。
例如一个字节的bit7对应的权值即 (1<<7),这样做是为了使用“位与,或,非”等位运算, 可以提高运行速度,即语句(4)。 - 语句(4)清楚表示了这几个变量作用。可见,
根据某个表示优先级的数字向位图中相应的bit位写入了1。 - 那么语句(2)和(5)是做什么用的呢? 这个number_
mask实际上是为了加快查找位图的速度而创建的。它将在rt_ schedule函数中发挥作用。
上文已说明,thread->
rt_thread_ready_priority_
概括起来就是,rtt首先确定32个字节的位图中,
下面附上rt_schedule的代码。非必要的代码被我隐去。
void rt_schedule(void){ .... register rt_ubase_t highest_ready_priority;#if RT_THREAD_PRIORITY_MAX == 8 highest_ready_priority = rt_lowest_bitmap[rt_thread_ready_priority_group];#else register rt_ubase_t number; /* find out the highest priority task */ if (rt_thread_ready_priority_group & 0xff) { number = rt_lowest_bitmap[rt_thread_ready_priority_group & 0xff]; } else if (rt_thread_ready_priority_group & 0xff00) { number = rt_lowest_bitmap[(rt_thread_ready_priority_group >> 8) & 0xff] + 8; } else if (rt_thread_ready_priority_group & 0xff0000) { number = rt_lowest_bitmap[(rt_thread_ready_priority_group >> 16) & 0xff] + 16; } else { number = rt_lowest_bitmap[(rt_thread_ready_priority_group >> 24) & 0xff] + 24; } highest_ready_priority = (number << 3) + rt_lowest_bitmap[rt_thread_ready_table[number]]; ....}
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