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RT-Thread 深入系列 Part 2：RT-Thread 内核核心机制深度剖析

web 2025/5/11 11:23:56

摘要：
本文从线程管理、调度器原理、中断处理与上下文切换、IPC 同步机制、内存管理五大核心模块出发，深入剖析 RT-Thread 内核实现细节，并辅以源码解读、流程图、时序图与性能数据。

线程管理与调度器原理
1.1 线程控制块（TCB）结构
1.2 就绪队列与优先级调度
1.3 时间片与抢占策略
中断管理与上下文切换
2.1 中断入口与中断服务例程
2.2 PendSV 与 SVC 的协作
2.3 上下文切换时序图
IPC 与同步机制
3.1 信号量（Semaphore）
3.2 消息队列（Message Queue）
3.3 邮件箱（Mailbox）与事件集（Event Flags）
内存管理
4.1 内存池（Memory Pool）
4.2 堆管理与动态分配
4.3 内存对齐与最小碎片化
性能与资源开销实测
小结与下一步

1. 线程管理与调度器原理

RT-Thread 的线程由 struct rt_thread 描述，调度由内核定期或抢占式触发。

1.1 线程控制块（TCB）结构

struct rt_thread
{char       name[RT_NAME_MAX];rt_list_t  tlist;            /* 就绪/挂起挂钩子 */rt_list_t  elist;            /* 超时队列挂钩子 */rt_uint8_t current_priority; /* 当前优先级 */rt_uint8_t init_priority;    /* 初始优先级 */rt_tick_t  remaining_tick;   /* 时间片剩余片数 */void      *stack_addr;       /* 线程栈基址 */rt_uint32_t stack_size;      /* 线程栈大小 */rt_uint32_t sp;              /* 运行时栈指针（寄存器） */void     (*entry)(void *parameter); /* 入口函数 */void      *parameter;        /* 入口函数参数 *//* … 其他成员 … */
};

优先级字段：分为 init_priority 和 current_priority，后者在持有互斥量或发生优先级继承时会临时提升。
就绪与超时链表：通过双向链表将线程挂载到就绪队列或定时器超时队列。
栈指针（SP）：上下文切换时存储 CPU 寄存器内容。

1.2 就绪队列与优先级调度

就绪队列按优先级分为多个链表，一共有 RT_THREAD_PRIORITY_MAX 个优先级。内核维护一个位掩码（bitmap）记录非空就绪队列：

/* 在 rt_thread_control.c 中 */
rt_uint32_t rt_thread_ready_priority_group;
rt_list_t   rt_thread_ready_table[RT_THREAD_PRIORITY_MAX];

就绪置位：当线程从阻塞态变为就绪态时，设置对应位：
```
rt_thread_ready_priority_group |= (1U << priority);
```
寻找最高优先就绪：使用 __CLZ（Count Leading Zeros）指令快速定位最高优先级：
```
highest = 31 - __CLZ(rt_thread_ready_priority_group);
```

1.3 时间片与抢占策略

轮询时间片：对于同一优先级多线程，内核采用时间片轮询（Round-Robin）。
抢占触发：每当中断退出或线程进入阻塞，都会调用 rt_schedule()。若发现有更高优先级线程，就立即切换。

void rt_schedule(void)
{/* 关闭中断 */rt_hw_interrupt_disable();/* … 更新就绪表 … *//* 若需要切换，调用 rt_hw_context_switch */rt_hw_context_switch();rt_hw_interrupt_enable();
}

2. 中断管理与上下文切换

2.1 中断入口与中断服务例程

RT-Thread 在中断入口保存少量状态，仅记录中断号与中断嵌套层数。中断处理完成后，根据是否从中断中打断线程，决定是否触发调度。

2.2 PendSV 与 SVC 的协作

对于 ARM Cortex-M，RT-Thread 借助 SVC（Supervisor Call）与 PendSV（Pendable Service Call）实现上下文切换：

SVC：在用户代码或系统调用需要切换时触发。
PendSV：在中断退出后统一执行上下文切换，避免直接在中断中切换导致栈混乱。

2.3 上下文切换时序图

3. IPC 与同步机制

3.1 信号量（Semaphore）

/* 初始化 */
rt_sem_init(&sem, "mysem", 1, RT_IPC_FLAG_FIFO);
/* 获取 */
rt_sem_take(&sem, RT_WAITING_FOREVER);
/* 释放 */
rt_sem_release(&sem);

支持二值信号量和计数信号量。
可选 FIFO 或优先级等待队列。

3.2 消息队列（Message Queue）

rt_mq_init(&mq, "mqueue", pool_start, msg_size, pool_size, RT_IPC_FLAG_FIFO);
rt_mq_send(&mq, &msg, sizeof(msg));
rt_mq_recv(&mq, &recv_buf, sizeof(recv_buf), RT_WAITING_FOREVER);

内存池：消息放入内核维护的内存池。
超时：可在接收时设置超时时间。

3.3 邮件箱（Mailbox）与事件集（Event Flags）

Mailbox：存放单个指针，适合快速消息传递。
Event Flags：按位保存事件标志，线程可按与、或模式等待。

4. 内存管理

4.1 内存池（Memory Pool）

rt_mp_init(&mp, "mempool", pool_start, block_size, block_count);
void *blk = rt_mp_alloc(&mp, RT_WAITING_FOREVER);
rt_mp_free(&mp, blk);

固定块大小，分配速度快，无碎片。
可用作 IPC 缓冲区或临时数据存储。

4.2 堆管理与动态分配

RT-Thread 提供多种堆实现 (dlmallc、smallfry、memheap)，可选择不同算法平衡速度与内存利用率。

rt_system_heap_init(heap_start, heap_end);
void *p = rt_malloc(64);
rt_free(p);

4.3 内存对齐与最小碎片化

默认 8 字节对齐，可通过 RT_ALIGN_SIZE 宏调整。
堆实现会将小块合并以降低碎片率。

5. 性能与资源开销实测

测试项目	数值	环境
单次上下文切换耗时	~1.5 µs	Cortex-M4 @ 168MHz
信号量（无竞争）获得+释放	~0.8 µs	同上
消息队列（16B 消息）发送	~2.2 µs	同上
内存池分配+释放	~0.5 µs	同上