查詢式協(xié)作多任務系統(tǒng)

前言

在計算機科學領域，任務調(diào)度和協(xié)作是關鍵的概念。雖然傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)提供了各種任務調(diào)度算法和機制，但有時我們需要更靈活、個性化的任務管理方式。

即使采用定時器實現(xiàn)時間片論法任務調(diào)度，但是也必須等單個完整的任務執(zhí)行完成后才能執(zhí)行下一個完整的任務。

本文將介紹使用標準庫頭文件中的setjmp和longjmp函數(shù)構建一個簡單的查詢式協(xié)作多任務系統(tǒng)，無需使用定時器進行任務切換。

setjmp和longjmp是C語言標準庫頭文件<setjmp.h>中提供的函數(shù)。它們的功能是實現(xiàn)非局部跳轉，可以在程序的不同位置之間進行跳轉，類似于goto語句的擴展。這種非局部跳轉的能力為我們構建查詢式協(xié)作多任務系統(tǒng)提供了基礎。

介紹

setjmp和longjmp

setjmp函數(shù)用于保存當前程序狀態(tài)，創(chuàng)建一個可以供后續(xù)longjmp函數(shù)跳轉的上下文環(huán)境。在調(diào)用setjmp時，程序會記錄當前的程序計數(shù)器、寄存器和堆棧等狀態(tài)信息，并將這些信息保存在一個jmp_buf結構中。同時，setjmp函數(shù)返回0作為普通調(diào)用的返回值，并將jmp_buf作為標識符存儲起來。

不同平臺的jmp_buf的類型定義不一樣，大概占用不到30個字節(jié)，因為不同平臺的相關寄存器等不一樣，因此占用的大小也不同。

longjmp函數(shù)則實現(xiàn)了對保存的上下文環(huán)境的跳轉操作。通過傳遞之前由setjmp函數(shù)保存的jmp_buf標識符，longjmp函數(shù)會將程序的狀態(tài)還原到對應的上下文環(huán)境，并且會返回到setjmp處繼續(xù)執(zhí)行。

協(xié)作式

在協(xié)作式多任務調(diào)度下，當前任務需要通過主動放棄時間片提供給其他任務運行，而并非是被其他任務搶占，因此這里面并沒有所謂的優(yōu)先級概念之分。

雖然協(xié)作式?jīng)]有所謂的優(yōu)先級概念之分，但是可以通過一定的方式也能實現(xiàn)一個簡單的優(yōu)先級，比如當前任務主動放棄時間片后，查詢更高優(yōu)先級的任務運行。

時間片論法任務調(diào)度只能等任務運行完成才會給下一個任務時間片運行，并不存在主動放棄時間片的功能。

實現(xiàn)思路

了解到setjmp和longjmp的功能和原理后，我們能不能通過它們來構建一個任務調(diào)度算法和機制呢？
雖然setjmp可以記錄當前的程序計數(shù)器、寄存器和堆棧等狀態(tài)信息，但是實現(xiàn)多任務切換時堆棧里面的數(shù)據(jù)是會發(fā)生變化的。

jmp_buf只記錄堆棧指針，不記錄堆棧指針指向的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

因此，如果要實現(xiàn)多任務切換，則需要為每個任務分配一定的堆棧預留空間，由于不使用堆，因此可以只考慮棧分配即可。

當前任務主動放棄時間片后，不斷查詢滿足條件需要執(zhí)行的其他任務。

代碼實現(xiàn)

創(chuàng)建任務，使用了setjmp函數(shù)。

int cotOs_Creat(OsTask_cb pfnOsTaskEnter, size_t stack)
{
    size_t oldsp;

    if (sg_OsInfo.taskNum >= COT_OS_MAX_TASK || sg_OsInfo.pfnGetTimerMs == NULL)
    {
        return -1;
    }

    COT_OS_GET_STACK(oldsp);
    COT_OS_SET_STACK(sg_OsInfo.stackTop);

    if (0 == setjmp(sg_OsInfo.tcb[sg_OsInfo.taskNum].env))
    {
        COT_OS_SET_STACK(oldsp);
        sg_OsInfo.tcb[sg_OsInfo.taskNum].pfnOsTaskEnter = pfnOsTaskEnter;
        sg_OsInfo.taskNum++;
        sg_OsInfo.stackTop -= stack;
    }
    else
    {
        sg_OsInfo.tcb[sg_OsInfo.taskId].pfnOsTaskEnter();
    }

    return 0;
}

放棄時間片，使用了longjmp，這里集成了時間等待功能，即放棄時間片的時長（即使時長減至0也要等待其他任務主動放棄時間片才會運行）

void cotOs_WaitFor(uint32_t time)
{
    uint32_t timer = sg_OsInfo.pfnGetTimerMs();
    setjmp(sg_OsInfo.tcb[sg_OsInfo.taskId].env);

    if (!(sg_OsInfo.pfnGetTimerMs() - timer > time))
    {
        sg_OsInfo.taskId++;

        if (sg_OsInfo.taskId >= sg_OsInfo.taskNum)
        {
            sg_OsInfo.taskId = 0;
        }

        longjmp(sg_OsInfo.tcb[sg_OsInfo.taskId].env, 1);
    }
}

除了繼承時間等待功能外，還定義了一個等待條件的主動放棄放棄時間片功能，即條件不滿足時主動放棄時間片（即使條件滿足后也要等待其他任務主動放棄時間片才會運行）

#define cotOs_WaitFor_Cond(cond)   do{\
        extern jmp_buf *cotOs_GetTaskEnv1(void);\
        setjmp((*cotOs_GetTaskEnv1()));\
        if (!(cond)){\
            extern void cotOs_RunNextTask(void);\
            cotOs_RunNextTask();\
        }\
    }while (0)

代碼鏈接

目前已完成在STM32板子上的查詢式協(xié)作多任務系統(tǒng)：
下載鏈接（點擊閱讀原文）：

https://gitee.com/cot_package/cot_os

擴展

setjmp和longjmp除了實現(xiàn)一個多任務系統(tǒng)外，其實還可以有其他的用法，比如實現(xiàn)C++中的try catch拋出異常處理功能。

由于其特性問題，在實際代碼中，特別是應用程序代碼上，建議少用setjmp和longjmp，否則會影響代碼閱讀，當然，不排除封裝成一個特殊的功能外