嵌入式操作系统内核原理和开发(消息队列)

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嵌入式操作系统内核原理和开发（消息队列）

消息队列是线程交互的一种方法，任务可以通过消息队列来实现数据的沟通和交换。在嵌入

式系统上，这可以说这是用的最多的一种方法。通过消息队列，无论是发送者，还是接受者

都可以循环地处理各种消息。而我们知道，存储消息最好的方式就是循环队列，如果消息已

满，那么发送者可以把自己pend到等待队列上；而如果此时没有消息，那么接受者也可以

把自己pend到等待队列上。当然实现消息队列的方法很多，甚至用户可以自己利用互斥量

和信号量来实现，而嵌入式系统常常会默认提供这样的功能函数，我想主要的目的还是为了

方便用户，让他们可以更多地从业务的角度来看问题，而不是把重点关注在这些底层的细节

上面。

首先，我们还是看看rawos上面关于消息队列的数据结构是怎么定义的，

1typedef struct RAW_MSG_Q {

2

3 RAW_VOID **queue_start; /* Pointer to start of queue data

*/

4 RAW_VOID **queue_end; /* Pointer to end of queue data

*/

5 RAW_VOID **write; /* Pointer to where next message will

be inserted in the Q */

6 RAW_VOID **read; /* Pointer to where next message will be

extracted from the Q */

7 RAW_U32 size; /* Size of queue (maximum number of entries)

*/

8 RAW_U32 current_numbers; /* Current number of entries in the

queue */

9 RAW_U16 blocked_send_task_numbers; /*number of blocked send task

numbers */

10 RAW_U16 blocked_receive_task_numbers; /*number of blocked send task

numbers */

11

12 } RAW_MSG_Q;

13

14typedef struct RAW_QUEUE

15 {

16 RAW_COMMON_BLOCK_OBJECT common_block_obj;

17 RAW_MSG_Q msg_q;

18

19 } RAW_QUEUE;

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上面的代码中有两段数据结构，第一段主要表示循环队列的内容，其中包括了队列首地址、队列末尾地址、当前队列读取地址、当前队列插入地址、队列大小、消息个数、阻塞的发送线程数据、阻塞的接受线程数目。而第二段数据结构就比较简单，它把通用等待结构和循环队列合在了一起，共同构成了消息队列的数据结构。

根据我们以前的经验，互斥同步数据结构的操作都会分成几个部分，当然消息队列也不例外，也会分成初始化、发送消息、接受消息、清除消息、删除消息队列等几种操作函数。当然，消息队列还是增加了一个新的选项，那就是插入消息的时候可以插入在队列的前方，还是插入在队列的尾部，这在某种程度上决定了消息的优先级。说到这，我们还是看看消息队列是怎么初始化的，

20RAW_U16 raw_queue_create(RAW_QUEUE *p_q, RAW_U8 *p_name, RAW_VOID

**msg_start, RAW_U32 number)

21 {

22

23 #if (RAW_QUEUE_FUNCTION_CHECK > 0)

24

25if (p_q == 0) {

26

27return RAW_NULL_OBJECT;

28 }

29

30if ( msg_start == 0) {

31

32return RAW_NULL_POINTER;

33 }

34

35if (number == 0) {

36

37return RAW_ZERO_NUMBER;

38 }

39

40 #endif

41

42 list_init(&p_q->common_block_obj.block_list);

43

44 p_q->common_block_https://www.360docs.net/doc/d85317648.html, = p_name;

45 p_q->common_block_obj.block_way = 0;

46 p_q->msg_q.queue_start = msg_start; /* Initialize

the queue */

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47 p_q->msg_q.queue_end = &msg_start[number];

48 p_q->msg_q.write = msg_start;

49 p_q->msg_q.read = msg_start;

50 p_q->msg_q.size = number;

51 p_q->msg_q.current_numbers = 0;

52 p_q->msg_q.blocked_send_task_numbers = 0;

53 p_q->msg_q.blocked_receive_task_numbers = 0;

54return RAW_SUCCESS;

55 }

56

虽然相比较之前的互斥函数，消息队列的初始化内容好像多一些。但是大家如果对循环队列的知识比较了解的话，其实也不是很复杂的。我们看到，函数除了对通用阻塞结构进行初始化之外，就是对这些循环队列进行初始化。接着，我们就可以看看消息发送函数是怎么样的，

57static RAW_U16 internal_msg_post(RAW_QUEUE *p_q, RAW_VOID *p_void, RAW_U8 opt_send_method, RAW_U8 opt_wake_all, RAW_U32 wait_option)

58 {

59 RAW_U16 error_status;

60 LIST *block_list_head;

61 RAW_U8 block_way;

62

63 RAW_SR_ALLOC();

64

65 #if (RAW_QUEUE_FUNCTION_CHECK > 0)

66

67if (raw_int_nesting) {

68

69if (wait_option != RAW_NO_WAIT) {

70

71return RAW_NOT_CALLED_BY_ISR;

72 }

73 }

74

75if (p_q == 0) {

76

77return RAW_NULL_OBJECT;

78 }

79

80if (p_void == 0) {

81

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82return RAW_NULL_POINTER;

83 }

84

85 #endif

86

87 block_list_head = &p_q->common_block_obj.block_list;

88

89 RAW_CRITICAL_ENTER();

90

91/*queue is full condition, there should be no received task blocked on queue object!*/

92if (p_q->msg_q.current_numbers >= p_q->msg_q.size) {

93

94if (wait_option == RAW_NO_WAIT) {

95 RAW_CRITICAL_EXIT();

96return RAW_MSG_MAX;

97 }

98

99else {

100

101/*system is locked so task can not be blocked just return immediately*/ 102if (raw_sched_lock) {

103 RAW_CRITICAL_EXIT();

104return RAW_SCHED_DISABLE;

105 }

106/*queue is full and SEND_TO_FRONT method is not allowd*/

107if (opt_send_method == SEND_TO_FRONT) {

108

109 RAW_CRITICAL_EXIT();

110return RAW_QUEUE_FULL_OPT_ERROR;

111 }

112

113 p_q->msg_q.blocked_send_task_numbers++;

114 raw_task_active->msg = p_void;

115 block_way = p_q->common_block_obj.block_way;

116 p_q->common_block_obj.block_way = RAW_BLOCKED_WAY_FIFO;

117/*there should be no blocked received task beacuse msg exits*/

118 raw_pend_object(&p_q->common_block_obj, raw_task_active,

wait_option);

119 p_q->common_block_obj.block_way = block_way;

120

121 RAW_CRITICAL_EXIT();

122

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123 raw_sched();

124

125 error_status = block_state_post_process(raw_task_active, 0); 126

127return error_status;

128

129 }

130

131 }

132

133/*Queue is not full here, there should be no blocked send task*/

134/*If there is no blocked receive task*/

135if (is_list_empty(block_list_head)) {

136

137 p_q->msg_q.current_numbers++; /* Update the nbr of entries in the queue */

138

139if (opt_send_method == SEND_TO_END) {

140

141 *p_q->msg_q.write++ = p_void;

142

143if (p_q->msg_q.write == p_q->msg_q.queue_end) {

144

145 p_q->msg_q.write = p_q->msg_q.queue_start;

146

147 }

148

149 }

150

151else {

152

153if (p_q->msg_q.read == p_q->msg_q.queue_start) { 154 p_q->msg_q.read = p_q->msg_q.queue_end;

155 }

156

157 p_q->msg_q.read--;

158 *p_q->msg_q.read = p_void; /* Insert message into queue */

159

160 }

161

162 RAW_CRITICAL_EXIT();

163

软件英才网软件行业驰名招聘网站164return RAW_SUCCESS;

165 }

166

167/*wake all the task blocked on this queue*/

168if (opt_wake_all) {

169

170while (!is_list_empty(block_list_head)) {

171 wake_send_msg(list_entry(block_list_head->next, RAW_TASK_OBJ, task_list), p_void);

172 }

173

174 p_q->msg_q.blocked_receive_task_numbers = 0;

175 }

176

177/*wake hignhest priority task blocked on this queue and send msg to it*/ 178else {

179

180 wake_send_msg(list_entry(block_list_head->next, RAW_TASK_OBJ,

task_list), p_void);

181 p_q->msg_q.blocked_receive_task_numbers--;

182 }

183

184 RAW_CRITICAL_EXIT();

185

186 raw_sched();

187return RAW_SUCCESS;

188 }

189

这里消息发送函数稍显冗长，这主要是因为消息发送的情况比较复杂，方方面面考虑的情况比较多。但是整个函数处理的逻辑还是比较清晰的，只要有耐心，慢慢读下去还是没有什么问题。这里不妨和大家一起看一下消息发送函数是怎么实现的，

（1）检验参数合法性，注意在中断下调用这个函数时，必须是RAW_NO_WAIT的选项，中断毕竟是不好调度的；

（2）处理消息已满的情况，

a）如果线程不想等待，函数返回；

b）如果禁止调度，函数返回；

c）消息存储到线程的msg里面，线程把自己pend到等待队列中；

d）调用系统调度函数，等待再次被调度的机会，函数返回。

（3）当前消息未满，但是当前没有等待队列，那么根据要求把消息压入循环队列，函数返回；

（4）当前消息未满，且存在等待队列，说明此时已经没有消息可读，

a）如果需要唤醒所有的等待线程，那么唤醒所有的线程，等待线程总数置为0；

软件英才网软件行业驰名招聘网站b）如果只是唤起某一个线程，那么唤醒第一个等待线程，等待线程总数自减；

（5）调用系统调度函数，防止有高优先级的线程加入调度队列；

（6）线程再次得到运行的机会，函数返回。

看到上面的代码，我们发现只要梳理好了代码的逻辑，其实消息发送函数也是比较好理解的。当然，有消息的发送，就必然会存在消息的接受了。此时肯定也会出现没有消息、有消息两种情况了。

190RAW_U16 raw_queue_receive (RAW_QUEUE *p_q, RAW_U32 wait_option, RAW_VOID **msg) 191 {

192

193 RAW_VOID *pmsg;

194 RAW_U16 result;

195 LIST *block_list_head;

196 RAW_TASK_OBJ *blocked_send_task;

197

198 RAW_SR_ALLOC();

199

200 #if (RAW_QUEUE_FUNCTION_CHECK > 0)

201

202if (raw_int_nesting) {

203

204return RAW_NOT_CALLED_BY_ISR;

205

206 }

207

208if (p_q == 0) {

209

210return RAW_NULL_OBJECT;

211 }

212

213if (msg == 0) {

214

215return RAW_NULL_POINTER;

216 }

217

218 #endif

219

220 block_list_head = &p_q->common_block_obj.block_list;

221

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222 RAW_CRITICAL_ENTER();

223

224

225/*if queue has msgs, just receive it*/

226if (p_q->msg_q.current_numbers) {

227

228 pmsg = *p_q->msg_q.read++;

229

230if (p_q->msg_q.read == p_q->msg_q.queue_end) {

231 p_q->msg_q.read = p_q->msg_q.queue_start;

232 }

233

234 *msg = pmsg;

235

236/*if there are blocked_send_tasks, just reload the task msg to end*/

237if (p_q->msg_q.blocked_send_task_numbers) {

238

239 blocked_send_task = list_entry(block_list_head->next, RAW_TASK_OBJ,

task_list);

240

241 p_q->msg_q.blocked_send_task_numbers--;

242

243 *p_q->msg_q.write++ = blocked_send_task->msg; 244

245if (p_q->msg_q.write == p_q->msg_q.queue_end) {

246

247 p_q->msg_q.write = p_q->msg_q.queue_start;

248

249 }

250

251 raw_wake_object(blocked_send_task);

252 RAW_CRITICAL_EXIT();

253

254 raw_sched();

255return RAW_SUCCESS;

256

257 }

258

259 p_q->msg_q.current_numbers--;

260

261 RAW_CRITICAL_EXIT();

262

263return RAW_SUCCESS;

软件英才网软件行业驰名招聘网站264 }

265

266

267

268if(wait_option == RAW_NO_WAIT) { /* Caller wants to block if not available?

*/

269 *msg = (RAW_VOID *)0;

270 RAW_CRITICAL_EXIT();

271return RAW_NO_PEND_WAIT;

272 }

273

274if (raw_sched_lock) {

275 RAW_CRITICAL_EXIT();

276return RAW_SCHED_DISABLE;

277 }

278

279 raw_pend_object(&p_q->common_block_obj, raw_task_active, wait_option);

280 p_q->msg_q.blocked_receive_task_numbers++;

281

282 RAW_CRITICAL_EXIT();

283

284 raw_sched();

285

286 RAW_CRITICAL_ENTER();

287

288 *msg = (RAW_VOID *)0;

289 result = block_state_post_process(raw_task_active, msg);

290

291 RAW_CRITICAL_EXIT();

292

293return result;

294

295 }

296

和发送消息函数相比，接受消息的操作还是要少一些，不要紧，大家一起来看一下实现

逻辑，

（1）判断参数合法性；

（2）如果当前存在消息，

a）读取循环队列中的消息；

b）判断当前是否存在等待线程，因为之前有可能存在没有压入队列的消息，

那么此时压入消息，唤醒该线程即可，调用系统调度函数返回；

c）没有等待线程，消息总数自减，函数返回。

（3）当前没有消息，

软件英才网软件行业驰名招聘网站a）线程不愿等待，函数返回；

b）系统禁止调度，函数返回；

c）线程将自己pend到等待队列中；

d）调用系统调度函数，切换到其他线程继续运行；

e）线程再次获得运行的机会，从thread结构中获取返回结果，函数返回。

和发送消息、接受消息比较起来，清除消息和删除消息的处理就比较简单了。为了说明问题，我们不妨放在一起讨论一下，

297RAW_U16 raw_queue_flush(RAW_QUEUE *p_q)

298 {

299 LIST *block_list_head;

300

301 RAW_SR_ALLOC();

302

303 RAW_TASK_OBJ *block_task;

304

305 #if (RAW_QUEUE_FUNCTION_CHECK > 0)

306

307if (p_q == 0) {

308

309return RAW_NULL_OBJECT;

310 }

311

312 #endif

313

314 block_list_head = &p_q->common_block_obj.block_list;

315

316 RAW_CRITICAL_ENTER();

317

318/*if queue is full and task is blocked on this queue, then wake all the task*/ 319if (p_q->msg_q.current_numbers >= p_q->msg_q.size) {

320while (!is_list_empty(block_list_head)) {

321 block_task = list_entry(block_list_head->next, RAW_TASK_OBJ, task_list);

322 raw_wake_object(block_task);

323 block_task->block_status = RAW_B_ABORT;

324

325 }

326

327 p_q->msg_q.blocked_send_task_numbers = 0;

软件英才网软件行业驰名招聘网站328 }

329

330 RAW_CRITICAL_EXIT();

331

332 raw_sched();

333

334return RAW_SUCCESS;

335 }

336 #endif

337

338

339 #if (CONFIG_RAW_QUEUE_DELETE > 0)

340 RAW_U16 raw_queue_delete(RAW_QUEUE *p_q)

341 {

342 LIST *block_list_head;

343

344 RAW_SR_ALLOC();

345

346 #if (RAW_QUEUE_FUNCTION_CHECK > 0)

347

348if (p_q == 0) {

349

350return RAW_NULL_OBJECT;

351 }

352

353 #endif

354

355 block_list_head = &p_q->common_block_obj.block_list;

356

357 RAW_CRITICAL_ENTER();

358

359/*All task blocked on this queue is waken up*/

360while (!is_list_empty(block_list_head)) {

361 delete_pend_obj(list_entry(block_list_head->next, RAW_TASK_OBJ, task_list));

362 }

363

364 RAW_CRITICAL_EXIT();

365

366 raw_sched();

367

368return RAW_SUCCESS;

369

软件英才网软件行业驰名招聘网站370 }

371 #endif

372

从代码据结构上也看得出来，两个函数的处理逻辑十分相像，所以可以放在一起研究一下，

（1）判断参数合法性；

（2）唤醒等待线程，这里消息清除函数唤醒的是发送线程，而消息删除函数唤醒的所有线程；

（3）调用系统调度函数，切换到其他线程继续运行；

（4）当前线程再次获得运行的机会，函数返回，一切ok搞定。