RT-Thread內(nèi)核對象管理器設(shè)計思路是什么

RT-Tread內(nèi)核架構(gòu)

RT-Thread，全稱是 Real Time-Thread，顧名思義，它是一個嵌入式實時多線程操作系統(tǒng)，基本屬性之一是支持多任務(wù)，允許多個任務(wù)同時運(yùn)行并不意味著處理器在同一時刻真地執(zhí)行了多個任務(wù)。其內(nèi)核架構(gòu)如下圖所示：

RT-Thread 內(nèi)核及底層結(jié)構(gòu)

對于各部分的功能，這里不做展開描述。RT-Tread內(nèi)核吸引我的方面：

• 代碼優(yōu)雅、可讀性非常高
• 體積小巧、代碼類Linux風(fēng)格，可裁剪
• 社區(qū)活躍，國人自主開發(fā)，用戶越來越多
• 優(yōu)秀的設(shè)計，對于面向?qū)ο笤O(shè)計思想可以說是非常優(yōu)秀的實踐
• 主要定位于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，各種組件豐富，融合的也很好
• ........

所以如果是RTOS應(yīng)用或者開發(fā)從業(yè)者，面對這么優(yōu)秀且比較容易深入學(xué)習(xí)的內(nèi)核，如果不去好好讀讀，實在有點(diǎn)可惜。要去體會RT-Thread對象設(shè)計思想，從其對內(nèi)核對象object的管理入手，不失為一個非常好的切入點(diǎn)。

什么是RT-Thread內(nèi)核對象管理？

RT-Thread 采用內(nèi)核對象管理系統(tǒng)來訪問 / 管理所有內(nèi)核對象，內(nèi)核對象包含了內(nèi)核中絕大部分設(shè)施，這些內(nèi)核對象既可以是靜態(tài)分配的靜態(tài)對象，也可以是從系統(tǒng)內(nèi)存堆中分配的動態(tài)對象。通過這種內(nèi)核對象的設(shè)計方式，RT-Thread 做到了不依賴于具體的內(nèi)存分配方式，系統(tǒng)的靈活性得到極大的提高。

RT-Thread 內(nèi)核對象包括：線程，信號量，互斥量，事件，郵箱，消息隊列和定時器，內(nèi)存池，設(shè)備驅(qū)動等。對象容器中包含了每類內(nèi)核對象的信息，包括對象類型，大小等。對象容器給每類內(nèi)核對象分配了一個鏈表，所有的內(nèi)核對象都被鏈接到該鏈表上，如圖 RT-Thread 的內(nèi)核對象容器及鏈表如下圖所示：

RT-Thread 的內(nèi)核對象容器及鏈表

參考自：https://www.rt-thread.org/document/site/programming-manual/basic/basic/#_7

這個集中管理的內(nèi)核對象容器在內(nèi)存的開銷方面代價很小，但卻具有高度的靈活性，從設(shè)計的角度看其代碼也非常利于擴(kuò)展，增加新的內(nèi)核對象類別，以及對于相應(yīng)的內(nèi)核對象功能的裁剪適配。

內(nèi)核對象主要干什么？

RT-Thread內(nèi)核對象子系統(tǒng)其主體實現(xiàn)代碼為object.c,本文嘗試從整體到局部來嘗試解讀其設(shè)計思想。object.c這個子系統(tǒng)從外部以黑盒的角度看，就個人理解主要實現(xiàn)了這樣些用例需求：

所以個人理解內(nèi)核對象管理器，主要是為其他內(nèi)核功能模塊提供數(shù)據(jù)管理支撐，屬于內(nèi)核底層支持功能組件，并從設(shè)計上兼顧了可擴(kuò)展、可裁剪的需求。

怎么實現(xiàn)的呢？

RT-Thread內(nèi)核對象子系統(tǒng)其主要核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

其中rt_object_class_type枚舉定義內(nèi)核對象類別：

enum rt_object_class_type
{
    RT_Object_Class_Null   = 0,   /* 未使用        */
    RT_Object_Class_Thread,       /* thread對象    */
    RT_Object_Class_Semaphore,    /* semaphore對象 */
    RT_Object_Class_Mutex,        /* mutex對象     */
    RT_Object_Class_Event,        /* event對象     */
    RT_Object_Class_MailBox,      /* mail box對象  */
    RT_Object_Class_MessageQueue, /* message queue */
    RT_Object_Class_MemHeap,      /* memory heap   */
    RT_Object_Class_MemPool,      /* memory pool   */
    RT_Object_Class_Device,       /* device對象     */
    RT_Object_Class_Timer,        /* timer對象      */
    RT_Object_Class_Module,       /* module        */
    RT_Object_Class_Unknown,      /* unknown       */
    RT_Object_Class_Static = 0x80 /*8位類型變量高位置1表示靜態(tài)對象 */
};

而rt_object_information則抽象了對象類型，加入了一個雙向鏈表指針數(shù)據(jù)域rt_list_node，從而將同類別的內(nèi)核對象利用該雙鏈指針鏈接起來，這些同類別的內(nèi)核對象具有如下可能的特點(diǎn)：

• 可能在軟件運(yùn)行時生成，也可能在os初始化創(chuàng)建。
• 其存儲類型可能為靜態(tài)類型，也可能為動態(tài)類型（所謂動態(tài)類型這里是確指在內(nèi)核堆上動態(tài)申請的內(nèi)存區(qū)域用于存儲相應(yīng)的內(nèi)核對象）。
• 在內(nèi)存空間中，其位置并不連續(xù)。

如此以來，將這些內(nèi)核對象在空間上不連續(xù)的變量，利用鏈表形成了可統(tǒng)一管理、可增可刪、可檢索的邏輯結(jié)構(gòu)。

而rt_object_container內(nèi)核容器，其本質(zhì)是一個內(nèi)核對象索引表，主要集中管理了下面的信息：

• enum rt_object_class_type type：內(nèi)核對象類別，每項表記錄條目的類別
• rt_list_t     object_list:每類對象鏈表的頭結(jié)點(diǎn)的鏈表指針數(shù)據(jù)域
• rt_size_t    object_size：該類個體的大小

利用宏將相應(yīng)的鏈表進(jìn)行選編譯，在內(nèi)核關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行了裁剪管理。而對于內(nèi)核本身的擴(kuò)展性而言，如果需要增加新的內(nèi)核功能，可以方便的增加新的內(nèi)核對象類，并能方便的加入到這個內(nèi)核對象容器中，利用公共的對外接口，實現(xiàn)統(tǒng)一管理，而不必對數(shù)據(jù)管理層進(jìn)行額外的接口設(shè)計。

實現(xiàn)了哪些對外接口呢？

有了這樣一個優(yōu)雅的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，那么基于這樣一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，相應(yīng)就很容易實現(xiàn)其內(nèi)核對象集中管理的對外服務(wù)接口，那么其主要的服務(wù)接口有哪些呢？

其中一部分主要接口實現(xiàn)對象的增加\刪除\檢索等，這里以rt_object_init接口為例，來簡要分析一下其實現(xiàn)：

void rt_object_init(struct rt_object         *object,
                    enum rt_object_class_type type,
                    const char               *name)
{
    register rt_base_t temp;
    struct rt_list_node *node = RT_NULL;
    struct rt_object_information *information;
#ifdef RT_USING_MODULE
    struct rt_dlmodule *module = dlmodule_self();
#endif

    /*1. 在容器中找到這是什么對象類*/
    information = rt_object_get_information(type);
    RT_ASSERT(information != RT_NULL);

    /* check object type to avoid re-initialization */

    /* 進(jìn)入臨界區(qū)保護(hù) */
    rt_enter_critical();
    /* try to find object */
    for (node  = information->object_list.next;
            node != &(information->object_list);
            node  = node->next)
    {
        struct rt_object *obj;

        obj = rt_list_entry(node, struct rt_object, list);
        if (obj) /* skip warning when disable debug */
        {
            RT_ASSERT(obj != object);
        }
    }
    /* 離開臨界區(qū) */
    rt_exit_critical();

    /* 初始化對象參數(shù)，并置為靜態(tài)標(biāo)記 */ 
    object->type = type | RT_Object_Class_Static;
    rt_strncpy(object->name, name, RT_NAME_MAX);

    RT_OBJECT_HOOK_CALL(rt_object_attach_hook, (object));

    /* 禁止硬件中斷 */
    temp = rt_hw_interrupt_disable();

#ifdef RT_USING_MODULE
    if (module)
    {
        rt_list_insert_after(&(module->object_list), &(object->list));
        object->module_id = (void *)module;
    }
    else
#endif
    {
        /* 對象插入容器中相應(yīng)對象分支鏈連 */
        rt_list_insert_after(&(information->object_list), &(object->list));
    }

    /* 開硬件中斷 */
    rt_hw_interrupt_enable(temp);
}

• 對于內(nèi)核對象增加\刪除其主要就是利用內(nèi)核容器首先檢索到鏈表頭結(jié)點(diǎn)，然后再進(jìn)一步做雙向鏈表的基本操作，這里對于具體如何操作鏈表就不做展開贅述了。
• 對于內(nèi)核對象相關(guān)數(shù)據(jù)域的檢索、查詢有了明確的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及能檢索到結(jié)點(diǎn)鏈表指針，由于結(jié)點(diǎn)鏈表指針與相應(yīng)內(nèi)核對象各數(shù)據(jù)域具有確定的相對位置關(guān)系，所以檢索而言是非常易于實現(xiàn)的。

而對于動態(tài)內(nèi)核對象而言，其差異在于內(nèi)核對象本身是動態(tài)申請的，這里需要注意的是向內(nèi)核堆申請的，而不是C堆申請的，至于什么是內(nèi)核堆，以及為什么要設(shè)計內(nèi)核堆，之前有寫過一篇文章分享，有興趣可以去看看。

內(nèi)核對象有什么相互繼承關(guān)系？

RT-Thread管網(wǎng)上給出了這樣一個相互關(guān)系圖：

如果不去具體看相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，或許不易理解為啥有這樣一張圖。這里以上圖中其中幾個內(nèi)核對象來擼一擼其相互關(guān)系：

或許有盆友會問，為啥rt_thread對象中明明沒有直接包含rt_object，那為啥說rt_thread也是繼承自rt_object呢？如果你細(xì)看看上圖rt_thread中紅框框出來的數(shù)據(jù)域就恍然大悟了，即便沒有直接包含，但在內(nèi)存中框里的內(nèi)容就是rt_object的數(shù)據(jù)內(nèi)容，所以利用指針轉(zhuǎn)換就可以方便訪問了，至于為什么是這樣？我想可能是歷史原因吧？所以rt_thread結(jié)構(gòu)體前面幾個數(shù)據(jù)域的位置是不可以修改的。這里還有盆友可能會問為什么ipc線程通信相關(guān)內(nèi)核對象需要單獨(dú)拎出來一個父結(jié)構(gòu)體呢？我想應(yīng)該是此類具有相同的一些共性，具有一些類似的特點(diǎn)。這也是對象設(shè)計提取共性進(jìn)而抽象封裝的一個體現(xiàn)。