从0到1教你写RT-Thread之线程的定义

《《《《《正文》》》》》

《前言》

本章是我们真正从从 0 到 1 写 RT-Thread 的第一章，属于基础中的基础，必须要学会创建线程，并重点掌握线程是如何切换的。因为线程的切换是由汇编代码来完成的，所以代码看起来比较难懂，但是我会尽力把代码讲得透彻。如果本章内容学不会，后面的内容根本无从下手。

在这章中，我们会创建两个线程，并让这两个线程不断地切换，线程的主体都是让一个变量按照一定的频率翻转，通过 KEIL 的软件仿真功能，在逻辑分析仪中观察变量的波形变化，最终的波形图具体见图 6-1。

其实，图 6-1 的波形图的效果，并不是真正的多线程系统中线程切换的效果图，这个效果其实可以完全由裸机代码来实现，具体见代码清单 6-1。

在多线程系统中，两个线程不断切换的效果图应该像图 6-2 所示那样，即两个变量的波形是完全一样的，就好像 CPU 在同时干两件事一样，这才是多线程的意义。虽然两者的波形图一样，但是，代码的实现方式是完全不一样的，由原来的顺序执行变成了线程的主动切换，这是根本区别。这章只是开始，我们先掌握好线程是如何切换，在后面章节中，我们会陆续的完善功能代码，加入系统调度，实现真正的多线程。千里之行，始于本章节，不要急。

《什么是线程》

在裸机系统中，系统的主体就是 main 函数里面顺序执行的无限循环，这个无限循环里面 CPU 按照顺序完成各种事情。在多线程系统中，我们根据功能的不同，把整个系统分割成一个个独立的且无法返回的函数，这个函数我们称为线程。线程的大概形式具体见代码清单 6-2。

《创建线程》

1、定义线程栈

我们先回想下，在一个裸机系统中，如果有全局变量，有子函数调用，有中断发生。那么系统在运行的时候，全局变量放在哪里，子函数调用时，局部变量放在哪里，中断发生时，函数返回地址发哪里。如果只是单纯的裸机编程，它们放哪里我们不用管，但是如果要写一个 RTOS，这些种种环境参数，我们必须弄清楚他们是如何存储的。在裸机系统中，他们统统放在一个叫栈的地方，栈是单片机 RAM 里面一段连续的内存空间，栈的大小一般在启动文件或者链接脚本里面指定，最后由 C 库函数_main 进行初始化。

但是，在多线程系统中，每个线程都是独立的，互不干扰的，所以要为每个线程都分配独立的栈空间，这个栈空间通常是一个预先定义好的全局数组，也可以是动态分配的一段内存空间，但它们都存在于 RAM 中。

本章我们要实现两个变量按照一定的频率轮流的翻转，每个变量对应一个线程，那么就需要定义两个线程栈，具体见代码清单 6-3。在多线程系统中，有多少个线程就需要定义多少个线程栈。

代码清单 6-3 (1)：线程栈其实就是一个预先定义好的全局数据，数据类型为rt_uint8_t，大小我们设置为 512。在 RT-Thread 中，凡是涉及到数据类型的地方，RT-Thread 都会将标准的 C 数据类型用 typedef 重新取一个类型名，以“rt”前缀开头。这些经过重定义的数据类型放在 rtdef.h（rtdef.h 第一次使用需要在 include 文件夹下面新建然后添加到工程 rtt/source 这个组文件）这个头文件，具体见代码清单 6-4。代码清单 6-4 中除了rt_uint8_t 外，其它数据类型重定义是本章后面内容需要使用到，这里统一贴出来，后面将不再赘述。

代码清单 6-3 (2)：设置变量需要多少个字节对齐，对在它下面的变量起作用。ALIGN是一个带参宏，在 rtdef.h 中定义，具体见代码清单 6-4。RT_ALIGN_SIZE 是一个在rtconfig.h（rtconfig.h 第一次使用需要在 User 文件夹下面新建然后添加到工程 user 这个组文件）中定义的宏，默认为 4，表示 4 个字节对齐，具体见代码清单 6-5。

2、定义线程函数

线程是一个独立的函数，函数主体无限循环且不能返回。本章我们在 main.c 中定义的两个线程具体见代码清单 6-6。

代码清单 6-6 (1)、(2)：正如我们所说的那样，线程是一个独立的、无限循环且不能返回的函数。

3、定义线程控制块

在裸机系统中，程序的主体是 CPU 按照顺序执行的。而在多线程系统中，线程的执行是由系统调度的。系统为了顺利的调度线程，为每个线程都额外定义了一个线程控制块，这个线程控制块就相当于线程的身份证，里面存有线程的所有信息，比如线程的栈指针，线程名称，线程的形参等。有了这个线程控制块之后，以后系统对线程的全部操作都可以通过这个线程控制块来实现。定义一个线程控制块需要一个新的数据类型，该数据类型在rtdef.h 这个头文件中声明，具体的声明见代码清单 6-7，使用它可以为每个线程都定义一个线程控制块实体。

代码清单 6-7 (1)：目前线程控制块结构体里面的成员还比较少，往后我们会慢慢在里面添加成员。代码清单 6-7 (2)：在 RT-Thread 中，都会给新声明的数据结构重新定义一个指针。往后如果要定义线程控制块变量就使用 struct rt_thread xxx 的形式，定义线程控制块指针就使用 rt_thread_t xxx 的形式。在本章实验中，我们在 main.c 文件中为两个线程定义的线程控制块，具体见代码清单6-8。

4、实现线程创建函数

线程的栈，线程的函数实体，线程的控制块最终需要联系起来才能由系统进行统一调度。那么这个联系的工作就由线程初始化函数 rt_thread_init()来实现，该函数在 thread.c（thread.c 第一次使用需要自行在文件夹 rtthread/3.0.3/src 中新建并添加到工程的 rtt/source组）中定义，在 rtthread.h 中声明，所有跟线程相关的函数都在这个文件定义。rt_thread_init()函数的实现见代码清单 6-9。