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rt-thread 优化系列(四)信号对 ipc 的影响

出出 来源:出出 作者:出出 2022-06-23 09:51 次阅读

前言

信号 signal,并不是线程间同步的信号量 semaphore。后者是线程间同步机制的一种,而前者是线程间异步通信的一种。
官方文档里对其解释是:“信号(又称为软中断信号),在软件层次上是对中断机制的一种模拟,在原理上,一个线程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是类似的。”

信号本质是**软中断**,用来通知线程发生了异步事件,**用做线程之间的异常通知、应急处理**。一个**线程不必通过任何操作来等待信号的到达**,事实上,**线程也不知道信号到底什么时候到达**。线程之间可以互相通过调用 `rt_thread_kill` 发送信号。

以上画线部分是我特意要大家注意的,我们要看待中断回调函数那样,看待信号回调函数**被执行的实机**,但不需要过分担忧的是回调函数**执行时间**,因为**终究信号回调函数还是在线程上下文被执行的**。

从官方文档可以清楚了解到,使用信号很简单,安装信号、解除信号掩码、发送信号、处理信号等几个过程。

更多关于信号的原理详见官方文档 [信号]( https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/ipc2/ipc2?id=%e4%bf%a1%e5%8f%b7 )

一个示例引起的血案

官方原版示例笔者就不贴出来了,直接拷贝到自己的项目完美运行。但是,笔者经过如下修改,发现一点儿疑问。

/* 线程 1 的入口函数 */
static void thread1_entry(void *parameter)
{
...
while (cnt < 10)
   {
       ...
       tick = rt_tick_get();
       rt_thread_mdelay(1000);
       tick = rt_tick_get();
   }
   ...
}

把延时时间增长,前后添加测时。多次运行发现 tick 值改变只有 300 (`rt_thread_mdelay(300)`)。这说明了线程响应 signal 后,处理了信号回调函数之后放弃了之前的延时!那么问题来了,应用层想要的延时时间不足,应用层知道吗?答案是,*不知道!*

rt-thread 中阻塞函数列表

前一段时间在文章 rt-thread 那些你必须知道的几类 api 里总结了 *禁止在中断中调用*、*必须在任务调度器运行以后才能使用*、*不能用在线程自己身上*的几类 api。

可能还缺一种:哪些 api 会引起线程调度,使得当前线程放弃 cpu 使用权——所有调用 `rt_schedule` 的函数都属于这类。这里边又分三种情况,一种是时间片耗尽让出 cpu 使用权;一种是释放资源或者信号让出 cpu 使用权;还有一种是等待资源而被动放弃 cpu。最后这种情况,是有目地的,往往希望有资源可用了之后从阻塞中恢复继续运行,如果线程从阻塞中恢复运行但同时没有资源可用是不是就乌龙了?以下的关注重点也是这类函数。

所有第三类引起线程调度的函数和上面的 `rt_thread_mdelay` 一样,在 signal 面前可能遇到一样的遭遇。大体上,分这么几类:

  • 延时函数
  • 线程间同步机制函数
  • 线程间通信机制部分函数(signal除外)
  • posix 下的 select poll 等接口(可能使用了线程间同步和通信机制)

这几类在遇到 signal 之后行为分别是什么样的?

被阻塞函数遇到 signal 后什么反应?

延时函数遇到 signal

这个前面已经经过测试的了,它会退出阻塞提前结束延时,但是应用层并不知道是达到延时时间还是有信号。

线程间同步通信机制函数遇到 signal

  • `rt_sem_take` 线程 error 非 RT_EOK (包括 RT_EINTR)直接返回线程错误状态
   /* do schedule */
   rt_schedule();
   if (thread->error != RT_EOK)
   {
       return thread->error;
   }
  • `rt_mutex_take` 考虑到了 signal 的影响,返回继续阻塞等待 `time` 时间。这是 ipc 里唯一例外的一个。
               /* do schedule */
               rt_schedule();

               if (thread->error != RT_EOK)
               {
#ifdef RT_USING_SIGNALS
                   /* interrupt by signal, try it again */
                   if (thread->error == -RT_EINTR) goto __again;
#endif /* RT_USING_SIGNALS */

其它,其余的 ipc 都和 `rt_sem_take` 一样。

完成量遇到 signal

`rt_completion_wait` 返回线程错误状态。

           /* do schedule */
           rt_schedule();
           /* thread is waked up */
           result = thread->error;

           level = rt_hw_interrupt_disable();
       }
   }
   ...

   return result;

select poll 等接口与 signal

因为文件描述符对应的设备不尽相同,设备底层实现 `poll` 的方式可能也千差万别,但是他们大概率是使用上面的线程间同步和通信机制了。

`poll` 实现过程调用个超时等待函数 `poll_wait_timeout` ,它也没有区分超时和信号两种情况。

       rt_schedule();
       level = rt_hw_interrupt_disable();
   }

   ret = !pt->triggered;
   rt_hw_interrupt_enable(level);

   return ret;

我们发现,`rt_sem_take` 结束了阻塞,并可能返回了 `RT_EINTR` ,而 `rt_mutex_take` 继续了循环阻塞。

等待资源而被动放弃 cpu 时怎么应对 signal 才合适?

现做以下约定,等待资源而被动放弃 cpu 的线程在此约定下,当有 signal 的时候会提前结束阻塞,返回应用层,应用层可以根据线程错误状态区别处理。

1. 复位线程错误状态为 `RT_EOK` 。
2. 调用 `rt_schedule` 进行线程调度,线程被阻塞挂起。
3. 从 `rt_schedule` 恢复唤醒,有一定手段通知到应用层(返回线程错误状态),应用层可以区分出是因为资源可用还是因为信号。

哪些 api 做到了以上这几点呢?

```
rt_completion_wait
rt_sem_take
rt_event_recv
rt_mb_send_wait
rt_mb_recv
rt_mq_send_wait
rt_mq_recv
rt_data_queue_push
rt_data_queue_pop

rt_mp_alloc

哪些 api 没有做到以上几点?

```
rt_mutex_take
rt_thread_sleep
rt_thread_delay
rt_thread_delay_until
rt_thread_mdelay
rt_wqueue_wait

笔者曾经在 gitee 上提交过一个 [issue]( https://gitee.com/rtthread/rt-thread/issues/I44JNS ) ,当时笔者隐隐中认为 ipc 中的不一致行为总有些隐患,感觉所有的阻塞等待都应该处理一下意外唤醒后的超时等待。却没意识到有什么意外情况可以让这些函数从阻塞等待中提前退出。通过研究 signal 实现原理的过程中发现,这种意外情况还有存在的,只是担忧的问题重点变了,不是处理阻塞等待剩余时间,而是在 signal 的影响下通知应用层的问题。

解决方案

有了上面的梳理,下面的修改方向就有了,改动范围也确定了。

  • 几个延时函数返回 `thread->error` 代替目前的 `RT_EOK` ;
  • `rt_mutex_take` 去掉 `goto __again` 也返回 `thread->error` ;
  • `rt_wqueue_wait` 返回 `thread->error` 代替目前的 `RT_EOK` 。
  • `poll` 目前返回值是 >= 0 的,返回 0 可能是超时,也可能是被信号中断了。暂时不发表修改意见。

结束语

以上搜索不一定完整完全,但应该包括了大部分受到影响的函数。如果看客有发现其它的 api 有不符合上述约定行为的,请留言告知,谢谢!

本人能力有限,文中难免有错误。望各位同仁不吝赐教。

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    1N4148WT 小信号二极管

    信息1N4148WT快速开关二极管(Trr < 4.0nsec)扁平引线、小于0.70mm高度的表面贴装器件超小型塑料封装SOD523F湿度敏感度为1无铅版本且符合RoHS标准雾锡(Sn)镀铅层绿色塑封混合材料规格参数产品种类:发光二极管(通用、电源、转换)   峰值反向电压:75V   正向连续电流:0.3A   配置:Single   恢复时间:4ns   最大反向漏泄电流:5uA   工作温度范围:+150℃ ~ -55℃   安装风格:SMD/SMT   二极管型:标准   RoHS:是   安装类型:表面贴装   箱体:SOD-523F-2   包装:剪切带(CT)电路图、引脚图和封装图...
    发表于 04-18 20:01 718次 阅读

    1N4447 小信号二极管

    应用 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。 电路图、引脚图和封装图
    发表于 04-18 20:01 284次 阅读

    1N916 小信号二极管

    信息 1N916 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。
    发表于 04-18 20:01 463次 阅读

    1N914BWT 小信号二极管

    WT 特性 快速开关二极管(Trr
    发表于 04-18 20:00 279次 阅读

    1N916B 小信号二极管

    信息 1N916B 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。
    发表于 04-18 20:00 240次 阅读

    1HP04CH P沟道小信号MOSFET -100V -170mA 18Ω

    率MOSFET采用安森美半导体的沟槽技术生产,该技术专门用于最大限度地降低栅极电荷和低导通电阻。该器件适用于低栅极电荷驱动或低导通电阻要求的应用。 特性 优势 高压(100V) 用于存储48V的LiB电路 高速开关和低损耗 对应于电机电路所需的特性 符合RoHS标准 环境考虑 4V驱动器 ESD二极管保护门 应用 终端产品 锂离子电池充电和放电C平衡 锂离子电池充电器 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 04-18 19:55 178次 阅读

    2N5551 小信号NPN双极晶体管

    信息高压NPN双极晶体管设计用于通用开关应用。该器件采用TO-92封装,专为中等功率应用而设计。 可提供无铅封装 电路图、引脚图和封装图
    发表于 04-18 19:54 983次 阅读

    2N5550 小信号NPN双极晶体管

    信息高压NPN双极晶体管设计用于通用开关应用。该器件采用TO-92封装,专为中等功率应用而设计。 可提供无铅封装 电路图、引脚图和封装图
    发表于 04-18 19:54 292次 阅读

    2N3906 小信号PNP双极晶体管,TO-92

    信息 PNP双极晶体管设计用于线性和开关应用。该器件采用TO-92封装,专为中等功率应用而设计。 可提供无铅封装* 电路图、引脚图和封装图
    发表于 04-18 19:53 754次 阅读

    7B35 带24 V隔离环路电源的隔离过程电流输入信号调理模块

    信息优势和特点 接受发送器输入(0-20mA或4-20mA) 提供发送器环路电源 100 Hz带宽 1-5V或0-10V输出Additional 7B Resources: Accessories and Backplanes Sales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of World电路图、引脚图和封装图
    发表于 04-18 19:49 345次 阅读

    3B47 隔离线性热电偶输入信号调理模块

    信息优势和特点 接受所有常见TC输入(J, K, T, E, R, S, B) 内部CJC和开路TC检测 与传感器温度成比例的线性输出 0至+10 V输出Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual电路图、引脚图和封装图
    发表于 04-18 19:45 203次 阅读

    3B42 隔离交流正弦波输入;0至1 V rms信号调理模块

    信息优势和特点 接受交流输入 20mV至1V输入 交流电流检测应用 3 Hz带宽 电压(± 10V)和电流输出(0-20mA或4-20mA)Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual电路图、引脚图和封装图
    发表于 04-18 19:43 266次 阅读

    3B20 非隔离交流应变或扭矩输入信号调理模块

    信息优势和特点 接受交流应变计或扭矩传感器输入 完善的应变计调理 1kHz至10KHz交流激励 10KHz带宽 电压(± 10V)和电流输出(0-20mA或4-20mA)Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual电路图、引脚图和封装图
    发表于 04-18 19:39 253次 阅读

    3B16 非隔离应变计输入;3 Hz带宽信号调理模块

    信息优势和特点 接受应变计输入 提供电桥激励 低噪声 3Hz带宽 电压(± 10V)和电流输出(0-20mA或4-20mA)Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual电路图、引脚图和封装图
    发表于 04-18 19:39 264次 阅读

    3B17 非隔离LVDT或RVDT输入信号调理模块

    信息优势和特点 接受LVDT或RVDT输入 完善的LVDT调理 1kHz至10KHz交流激励 100 Hz带宽 电压(± 10V)和电流输出(0-20mA或4-20mA)Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual电路图、引脚图和封装图
    发表于 04-18 19:39 346次 阅读

    6B21 隔离电流输出:信号调节模块

    信息优势和特点 Process Current Output (0-20mA or 4-20mA) RS-485 Interface Programmable Slew Rate National Instruments Labview Supported 产品详情The 6B Series of modules and boards provides the hardware needed to implement a flexible, distributed monitoring and control application. By selecting only the modules and interfaces needed and connecting them via RS-485, the data acquisition and control strategy can be designed for optimum location of the I/O as well as minimizing sensor runs. The modularity and configurability of the 6B Series also makes them very cost effective.电路图、引脚图和封装图...
    发表于 04-18 19:16 295次 阅读

    6B12 单通道信号调理模块

    信息优势和特点 Accepts mV and V Input RS-485 Interface National Instruments Labview Supported 2500V CMV Version Available 6B12-HV Additional 6B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of World
    发表于 04-18 19:16 659次 阅读

    6B13 2线,3线,4线RTD输入:信号调理模块

    信息优势和特点 Accepts RTD Input RS-485 Interface National Instruments Labview Supported 2500V CMV Version Available 6B13-HV Additional 6B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of World电路图、引脚图和封装图
    发表于 04-18 19:16 688次 阅读

    6B11 热电偶输入:mV / Volt输入:电流输入:信号调节模块

    信息优势和特点 2500V CMV Version Available 6B11-HV Accepts mV, V, I, and Common TC Inputs (J, K, T, E, R, S, B) National Instruments Labview Supported RS-485 接口Additional 6B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of World电路图、引脚图和封装图
    发表于 04-18 19:16 407次 阅读

    BAS16SL 小信号二极管

    信息小信号二极管 低正向压降 快速开关 非常小的薄型 最大剖面高度为0.43mm 尺寸为1.0 x 0.6mm
    发表于 04-18 19:14 238次 阅读