【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
", 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
", 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
", Name, task->ID, func, dt, pd);
        }
        else
                debug_printf("%s::添加任务%d 0x%08x FirstTime=%uus Period=%dus
", 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
", 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！

", Name, Count);

        Running = true;
        while(Running)
        {
                Execute(0xFFFFFFFF);
        }
        debug_printf("%s停止调度，共有%d个任务！
", Name, Count);
}

void TaskScheduler::Stop()
{
        debug_printf("%s停止！
", 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
", 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
", (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);
        }
}