要想使用好RTOS，做出更加穩定可靠的產品，必須非常清楚底層的調度原理。由于RTOS的實時性與可控性，所以只有了解了其核心部分的設計思想，才能用起來得心應手，游刃有余。本文從RT-Thread的調度器設計的運行方式上解釋一下調度器的行為，從而更加深刻的理解RT-Thread操作系統的調度時機。

1.調度是什么？

調度一般就是合理的安排、協調資源，統一指揮去完成一件事，而在操作系統中，線程調度就是有多個就緒優先級的任務，找到最高優先級任務，交給CPU去運行。

RT-Thread調度器就是起到判決線程當前的優先級，然后選擇當前系統中最高優先級的就緒態的線程交給CPU去管理。

調度又可以細分為兩種。可打斷調度:關鍵防止優先級倒置;不可打斷調度:先來先服務,不可中斷。RT-Thread 屬于實時操作系統，所以其調度器實現的是可打斷的調度,當有更高優先級的線程或者更重要的任務就行，則可以打斷當前任務的執行狀態，去執行優先級更高的任務。那么此時，調度的時機就非常的關鍵了。

2.調度怎么實現？

RT-Thread在創建任務的時候，會指定任務的優先級，一般來說，每個任務都有自己特定的唯一的優先級。所以內核線程對象中有不同的優先級的任務列表。

如果最大指定為32個優先級，那么可以用32位數據類型表示，每一個bit表示一個優先級就緒的狀態。使用位圖的優點就是速度快，而且內存占用小。

一般來說，調度去找到最高優先級的任務時，就需要去做判斷。如何去找到最高優先級的任務。一般來說，有兩種辦法：

軟件計算

硬件計算

這兩種的差別僅僅在于計算效率的問題，本質目的并無差別。

而用軟件計算方法尋找最高優先級有兩種實現的策略：

1.遍歷就緒的隊列，找到最小的優先級就緒的隊列，尋找的時間不確定，時間復雜度O(n)。

2.采用空間換時間的辦法，事先做好一個bitmap

例如系統中最大有8個優先級，那么bitmap如下：

 1constrt_uint8_t__lowest_bit_bitmap[]=
 2{
 3/*00*/0,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
 4/*10*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
 5/*20*/5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
 6/*30*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
 7/*40*/6,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
 8/*50*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
 9/*60*/5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
10/*70*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
11/*80*/7,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
12/*90*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
13/*A0*/5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
14/*B0*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
15/*C0*/6,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
16/*D0*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
17/*E0*/5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,
18/*F0*/4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0
19};

 1int__rt_ffs(intvalue)
 2{
 3if(value==0)return0;
 4
 5if(value&0xff)
 6return__lowest_bit_bitmap[value&0xff]+1;
 7
 8if(value&0xff00)
 9return__lowest_bit_bitmap[(value&0xff00)>>8]+9;
10
11if(value&0xff0000)
12return__lowest_bit_bitmap[(value&0xff0000)>>16]+17;
13
14return__lowest_bit_bitmap[(value&0xff000000)>>24]+25;
15}

如果當前系統的線程狀態為0b0110 0000，那么轉換成十六進制就是0x60，根據表中的狀態此時的最高優先級是5+1=6。所以可以得出系統的優先級，此時計算的復雜度為O(1)。

雖然RT-Thread 是支持同等優先級的，但是在具體的業務邏輯的設計中，在使用RTOS常用的設計方法中，一般都是要求程序的運行邏輯是可預測的，就是在程序執行的過程中，可以預測到程序下一步的動作。所以rtos中同等優先級，按照時間片輪訓的這種方式設計業務邏輯的情況并不多。使用相同優先級會增加系統的業務邏輯的復雜性。

3.什么時候系統做調度？

RT-Thread 是搶占式的系統調用，所以系統什么時候去做的調度非常的關鍵。系統調度行為具體又分為主動調度和被動調度兩種。

3.1 任務主動block

當A線程在正常運行時，主動放棄CPU的使用權，比如去執行rt_thread_delay或者等待一個IPC消息時，當前線程會主動放棄CPU資源，此時去系統中尋找已經就緒的最高優先級的線程進行調度。

這種方式應用的場景比較豐富，比如當前線程沒有獲取到資源時，需讓出CPU的使用權，或者事情做完了，主動讓出CPU的使用權，這就是系統做調度的時機。

A線程的優先級要高于B線程的優先級，所以在A放棄CPU使用權后，已經就緒的最高優先級線程B就開始執行了。

3.2 被更高優先級的任務喚醒

這種方式就是當比當前運行線程的優先級高的線程處于就緒態時，高優先級的就緒態線程會被喚醒，低優先級線程將暫停運行，此時會調度到比當前線程更高的優先級線程中去。

按照理解A線程是正在運行的線程，此時更高任務優先級的線程C就緒處于就緒狀態了。比如創建了一個比A優先級更高的C進程，并startup C線程，此時會執行rt_schedule()將線程切換到優先級更高的C線程。此時A線程運行狀態以及處理器寄存器狀態壓棧，更高優先級的C線程的狀態以及處理器寄存器狀態出棧，并且開始運行C線程。

3.3 yield放棄cpu使用

首先理解一下什么是yield，解釋成讓出，放棄比較合理。該出讓只針對于同等優先級的線程。

這種情況只適用于A線程的優先級等于B線程的優先級的情況。因為RTT支持同等優先級的方式創建線程，相同的優先級的切換是靠時間片輪詢來進行的。所以，當A線程正常運行的時候，如果執行了yield函數，那么只相當于將A線程的時間片消耗完，此時同等優先級的D線程開始運行。 由于在RTOS中，需要的是完成任務的確定性與可靠性，同等優先級的情況比較有限，所以這一塊應用的不多。

3.4 中斷中執行調度

以上的三種屬于主動進行調度的過程，其系統的執行流程都是可以預測的，但是中斷去執行調度卻是比較特殊。是被動調度。

這種方式是在中斷中執行調度的，當A線程正常運行時，此時來了一個中斷，由于中斷的優先級是高于線程的。所以，中斷處理事情，如果在中斷中執行了調度函數，那么在中斷退出后，將直接切換到當前系統中更高優先級的線程去運行。如果如果當前系統的最高優先級還是A，那么中斷退出后，執行的最高優先級線程依然是A。若存在線程E線程優先級高于A并且處于就緒狀態，此時，中斷退出后，切換到E線程去執行。

4.調度做了哪些事情？

系統進行調度的時候做了哪些事情？

第一步：查找當前系統中當前以及就緒的最高優先級的線程，若有高于當前運行系統運行的線程棧則執行線程切換

第二步：關閉中斷，將系統當前運行狀態以及處理器的寄存器壓入棧空間

第三步：找到需要運行的線程的PC指針，并找到棧起始處彈出棧空間中的寄存器狀態

第四部：打開中斷，執行異常ret，讓系統恢復執行

此時，就切換到已經就緒的更高優先級的線程去運行了。

5.總結

RT-Thread 線程的調度器是整個系統的靈魂，整個操作系統在運行過程中何時切換線程、什么情況下去處理任務，以及做更高效的業務邏輯的應用都離不開系統調度。掌握了調度器運行的規律，并且合理的使用線程調度時機，可以設計出更加穩定可靠的產品。通過閱讀代碼，就能預測程序下一步的執行動作。真正的做到手中有糧，心中不慌。