# 多线程 ***Copyright © Quectel Wireless Solutions Co., Ltd. 2026. 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pxTopOfStack：指向该任务当前堆栈的栈顶，是最重要的指针之一。当任务被切换出去时，CPU寄存器的值保存在其栈中，该指针记录保存的位置。切换回来时，根据该指针恢复现场。 - pxStack：指向该任务堆栈内存空间的起始地址（堆栈底部）。用于检查堆栈是否溢出。 - usStackDepth：任务堆栈的总深度。 2. 任务状态：阻塞、睡眠、执行、就绪和挂起。 3. 任务属性：任务的优先级、任务名称及唯一标识符。 4. 调度相关：互斥锁及其数量。 **临界段：** 在RTOS中，临界段是指访问共享资源（如全局变量）时，必须保证执行过程不被任何中断或任务切换所打断的代码段。由于系统的任务调度最终由PendSV中断触发，因此临界段的保护本质上是通过精确控制中断的使能与禁止来实现的，从而确保对关键资源操作的原子性和数据一致性。 **阻塞延时：** 当任务调用延时函数时，会主动放弃CPU使用权并进入阻塞态。 在此期间，调度器会从就绪任务中选择优先级最高的任务投入运行；若系统中无任何用户任务就绪，CPU将自动切换至最低优先级的空闲任务，以维持系统持续执行并通常会进入低功耗模式。直到延时时间结束，该任务才会重新进入就绪态，并可根据优先级策略竞争CPU使用权，从而继续执行。 #### 线程状态 线程具有完整的生命周期，从创建到结束，始终处于以下五个状态之一：新建状态（creation）、就绪状态（runnable）、运行状态（running）、阻塞状态（blocked）和终止状态（dead）。 ```{image} images/image_L0C1bGNelo9OKtx7gwBclG6OnRe.webp :width: 697px :height: 274px ``` - 新建状态（creation）：创建线程，实现线程可运行状态初始化。 - 就绪状态（runnable）：处于该状态的线程位于可运行池中，等待获得CPU的使用权。 - 运行状态（running）：处于就绪状态的线程获得CPU执行资源后，开始执行线程函数中的代码。 - 阻塞状态（blocked）：运行中的线程因某种原因放弃CPU使用权而被挂起，不再执行，直到进入就绪状态后，才有机会再次被CPU调度执行。阻塞状态可能由多种原因导致，例如调用延时函数、等待信号量或互斥锁等。 - 终止状态（dead）：线程在完成执行或异常中止时进入终止状态。 #### 线程调度机制 多线程的绝对并行执行是一个伪命题。实际上，并不是所有线程都能一直运行并独占CPU。无论硬件资源多强大，对于成千上万个线程，都需要一定的调度算法来实现多线程。那么多线程的调度机制是如何实现的呢？ 在RTOS系统中，常见调度机制包括时间片轮询调度、基于优先级的协同调度和抢占式调度，通常会结合多种调度算法使用。 ##### 时间片轮询调度 RTOS中的轮询调度策略，允许将多个任务分配至同一优先级。调度程序基于CPU时钟监控任务执行时间。当多个任务处于相同优先级时，按照先进先出的原则轮流执行分配到的时间片。当时间片耗尽时，即使当前任务尚未完成，调度器也将强制剥夺当前任务的CPU使用权，并将其分配给下一个任务。在下一个分配到的时间片内，该任务将从上次挂起时的断点处继续执行。 如下图所示，系统根据CPU时钟节拍（Tick）将时间划分为多个时间片。每个时间片结束后，调度器会切换到下一个处于就绪状态的任务，从而依次执行任务A、B、C。 ```{image} images/image_ZdNXbobgRoSyGExgx1UcviEun3d.webp :width: 758px :height: 271px ``` ##### 基于优先级的协同调度 RTOS中的基于优先级的协同调度，是一种非抢占式的调度方法。任务按优先级排序，且为事件驱动型。一旦正在运行的任务完成或主动让出CPU使用权，就绪队列中优先级最高的任务才能获得CPU使用权。 如下图所示，在执行任务A时，若出现中断事件，系统将立即响应并执行高优先级中断服务程序。高优先级中断服务程序执行完成或让出CPU后，系统继续执行任务A。在任务A完成或让出CPU后，调度器再切换到较高优先级的任务B。 ```{image} images/image_ZIoWbX8MUo9DG3xvzsPcmwLvnue.webp :width: 702px :height: 216px ``` ##### 抢占式调度 RTOS通过抢占式调度来保证实时性。为了保证任务的及时响应，在抢占式调度策略中，只要有一个更高优先级的任务进入就绪状态，正在运行的低优先级任务就会被强制切换下来。通过抢占机制，正在运行的任务会被迫让出CPU使用权，即使其当前任务尚未执行完毕。 如下图所示，在抢占式调度机制中，当系统正在执行任务A时，若出现了优先级更高的任务C，调度器会立即切换到任务C执行。 任务C执行完成或让出CPU后，系统会从当前就绪状态的线程中找到优先级最高的任务执行，此时系统将执行任务B。任务B执行完成或让出CPU后，系统再继续执行任务A。 ```{image} images/image_LMFRbflpZoUp7AxHVIhcuw2pn9g.webp :width: 669px :height: 241px ``` #### 线程上下文切换 在实际的多线程运行中，系统通过不断切换来保持多个线程的并发执行。其具体的调度切换与恢复过程如下。 当操作系统需要运行其他任务时，首先会将当前任务的寄存器内容保存到当前任务的栈中，然后从待加载任务的栈中取出之前保存的全部寄存器内容并加载到相关寄存器中，从而继续运行被加载的任务。这一过程叫作线程上下文切换。 线程上下文切换会带来额外的开销，包括保存和恢复线程上下文信息的开销，调度线程的CPU时间开销，以及CPU缓存失效的开销。 # 多线程API ## 头文件 *qosa_sys.h* ## 函数概览 | **函数** | **描述** | | --- | --- | | *qosa_task_create()* | 创建标准版任务 | | *qosa_task_create_static()* | 创建静态版任务 | | *qosa_task_delete()* | 删除指定任务 | | *qosa_task_suspend()* | 挂起指定任务 | | *qosa_task_resume()* | 恢复被挂起的任务 | | *qosa_task_get_current_ref()* | 获取当前任务句柄 | | *qosa_task_sleep_ms()* | 设置任务休眠时间（单位：毫秒） | | *qosa_task_sleep_sec()* | 设置任务休眠时间（单位：秒） | ## 函数详解 ### qosa_task_create - **功能描述** 创建标准版任务。适用于无需任务间通信的简单场景。 - **函数原型** ```c int qosa_task_create(qosa_task_t* taskRef, qosa_uint32_t stackSize, qosa_uint8_t priority, char* taskName, void (*taskStart)(void*), void* argv, ...) ``` - **参数说明** | **参数名** | **输入/输出** | **类型** | **说明** | | --- | --- | --- | --- | | *taskRef* | 输出 | qosa_task_t* | 指向任务句柄指针的地址，用于接收创建的任务句柄 | | *stackSize* | 输入 | qosa_uint32_t | 任务堆栈大小。单位：字节 | | *priority* | 输入 | qosa_uint8_t | 任务优先级，数值越大优先级越高 | | *taskName* | 输入 | char* | 任务名称字符串，用于标识和调试 | | *taskStart* | 输入 | void (*)(void*) | 任务主函数指针，任务启动后执行该函数 | | *argv* | 输入 | void* | 传递给任务主函数的用户参数 | - **返回值说明** *QOSA_OK (0)*：函数执行成功 *QOSA_ERROR_NO_MEMORY*：内存分配失败 其他负数值：底层OSA接口返回的错误码 ```{note} 1. 标准版任务没有内置消息队列，适用于独立运行的任务。 2. 任务创建后通过信号量进行同步启动，确保任务参数完全初始化。 ``` ### qosa_task_create_static - **功能描述** 创建静态版任务。 - **函数原型** ```cpp int qosa_task_create_static(qosa_task_t* taskRef, void* stackMem, qosa_uint32_t stackSize, void* tcbMem, qosa_uint32_t tcbSize, qosa_uint8_t priority, char* taskName, void (*taskStart)(void*), void* argv, ...) ``` - **参数说明** | **参数名** | **输入/输出** | **类型** | **说明** | | --- | --- | --- | --- | | *taskRef* | 输出 | qosa_task_t* | 指向任务句柄指针的地址，用于接收创建的任务句柄 | | *stackMem* | 输入 | void* | 用户提供的栈内存基地址。必须为非空且在任务生命周期内有效 | | *stackSize* | 输入 | qosa_uint32_t | 任务堆栈大小。单位：字节 | | *tcbMem* | 输入 | void* | 用户提供的TCB内存基地址 | | *tcbSize* | 输入 | qosa_uint32_t | TCB内存大小。单位：字节 | | *priority* | 输入 | qosa_uint8_t | 任务优先级，数值越大优先级越高 | | *taskName* | 输入 | char* | 任务名称字符串，用于标识和调试 | | *taskStart* | 输入 | void (*)(void*) | 任务主函数指针，任务启动后执行该函数 | | *argv* | 输入 | void* | 传递给任务主函数的用户参数 | - **返回值说明** *QOSA_OK (0)*：函数执行成功 负数值：函数执行失败（如内存不足、参数无效等底层OSA接口错误码） ### qosa_task_delete - **功能描述** 删除指定任务，并释放其占用的相关资源。 - **函数原型** ```c int qosa_task_delete(qosa_task_t taskRef) ``` **参数说明** | **参数名** | **输入/输出** | **类型** | **说明** | | --- | --- | --- | --- | | *taskRef* | 输入 | qosa_task_t | 任务句柄 | - **返回值说明** *QOSA_OK (0)*：函数执行成功 *QOSA_ERROR_PARAM_IS_NULL*：输入参数为空 其他负数值：底层OSA接口返回的错误码 ```{note} 1. 任务删除分为两种模式： 自删除：任务删除自身时，采用异步方式销毁任务，避免资源访问冲突。 他删除：其他任务删除该任务时，采用同步方式直接执行删除操作。 2. 删除后的任务句柄不可再被使用。 ``` ### qosa_task_suspend - **功能描述** 挂起指定任务。挂起的任务不会消耗CPU时间。 - **函数原型** ```c int qosa_task_suspend(qosa_task_t taskRef) ``` - **参数说明** | **参数名** | **输入/输出** | **类型** | **说明** | | --- | --- | --- | --- | | *taskRef* | 输入 | qosa_task_t | 任务句柄 | - **返回值说明** *QOSA_OK (0)*：函数执行成功 *QOSA_ERROR_PARAM_IS_NULL*：输入参数为空 ```{note} 1. 挂起的任务可通过调用 ***qosa_task_resume()*** 恢复执行。 2. 支持对同一任务进行多次挂起操作，需要执行相同次数的恢复操作才能使其重新运行。 3. 当高优先级任务被挂起时，低优先级任务将获得CPU使用权。 ``` ### qosa_task_resume - **功能描述** 恢复被挂起的任务，使其重新进入就绪状态。 - **函数原型** ```c int qosa_task_resume(qosa_task_t taskRef) ``` - **参数说明** | **参数名** | **输入/输出** | **类型** | **说明** | | --- | --- | --- | --- | | *taskRef* | 输入 | qosa_task_t | 任务句柄 | - **返回值说明** *QOSA_OK (0)*：函数执行成功 *QOSA_ERROR_PARAM_IS_NULL*：输入参数为空 ```{note} 1. 仅能恢复通过调用 ***qosa_task_suspend()*** 挂起的任务。 2. 对于被多次挂起的任务，需要执行相同次数的恢复操作才能使其重新运行。 3. 任务恢复后，将根据其优先级重新参与系统调度。 ``` ### qosa_task_get_current_ref - **功能描述** 获取当前任务句柄。 - **函数原型** ```c int qosa_task_get_current_ref(qosa_task_t* taskRef) ``` **参数说明** | **参数名** | **输入/输出** | **类型** | **说明** | | --- | --- | --- | --- | | *taskRef* | 输出 | qosa_task_t* | 指向任务句柄指针的地址，用于接收当前任务句柄 | **返回值说明** *QOSA_OK (0)*：函数执行成功 *QOSA_ERROR_PARAM_IS_NULL*：输入参数为空 *QOSA_ERROR_GENERAL*：函数执行失败 ### qosa_task_sleep_ms - **功能描述** 设置任务休眠时间（单位：毫秒）。 - **函数原型** ```c void qosa_task_sleep_ms(qosa_uint32_t ms) ``` - **参数说明** | **参数名** | **输入/输出** | **类型** | **说明** | | --- | --- | --- | --- | | *ms* | 输入 | qosa_uint32_t | 休眠时间。单位：毫秒 | - **返回值说明** 无 ```{note} 1. 任务在休眠期间处于阻塞状态，不再占用CPU资源。 2. 实际的休眠时长可能受系统Tick精度的影响。 ``` ### qosa_task_sleep_sec - **功能描述** 设置任务休眠时间（单位：秒）。 - **函数原型** ```c void qosa_task_sleep_sec(qosa_uint32_t s) ``` - **参数说明** | **参数名** | **输入/输出** | **类型** | **说明** | | --- | --- | --- | --- | | *s* | 输入 | qosa_uint32_t | 休眠时间。单位：秒 | - **返回值说明** 无 ```{note} 1. 该函数内部会将秒数转换为系统Tick数，然后执行休眠操作。 2. 适用于较长时间的延时场景。 3. 请避免任务长时间阻塞，以免影响系统的整体实时响应。 ``` ## 枚举定义 ### qosa_errcode_os_e 结果码枚举定义如下： ```plaintext typedef enum { QOSA_ERROR_OK = 0, ... QOSA_ERROR_TASK_INVALID_ERR QOSA_ERROR_TASK_CREATE_ERR QOSA_ERROR_TASK_SUSPEND_ERR QOSA_ERROR_TASK_RESUME_ERR ... }qosa_errcode_os_e; ``` | **成员** | **说明** | | --- | --- | | *QOSA_ERROR_TASK_INVALID_ERR* | 任务句柄无效 | | *QOSA_ERROR_TASK_CREATE_ERR* | 任务创建失败 | | *QOSA_ERROR_TASK_SUSPEND_ERR* | 任务挂起失败 | | *QOSA_ERROR_TASK_RESUME_ERR* | 任务恢复失败 | | *QOSA_ERROR_OK* | 函数执行成功 | # 应用逻辑流程图 ```{figure} images/board_Dz74wCpQBhj3Bnb5cbgc5kE0nuf.jpg :align: center :alt: image ``` # 示例代码 完整示例代码请查看 https://github.com/UniRTOS/UniRTOS-Doc-Examples/blob/main/system/thread/thread_demo.c 。