1、任務狀態及轉換

AliOS Things是一款支持單處理器上運行多個任務的實時作業系統，對于多任務系統，在單個處理器上任意時刻只能有一個任務在運行，其他任務均處于非運行狀態，所以這里可以簡單的認為任務有兩種狀態：運行和非運行，如圖1，

圖1 任務狀態和轉換的頂層模型

當任務處于運行狀態時，處理器被用來執行該任務的代碼；當任務處于非運行狀態時，其運行背景關系被保存，并在下一次進入運行狀態時被恢復執行，當任務恢復執行時，它會從上一次離開運行狀態之前要執行的指令開始執行，那任務什么時候又是為什么發生非運行狀態與運行狀態之間的切換，主要依據系統的調度策略、可引起調度的系統事件以及特定的函式呼叫，

實時作業系統任務調度依賴于任務優先級，對于那些實時性要求比較高的任務被賦予高的優先級，一旦高優先級的任務準備就緒，系統就會將正在運行的低優先級任務換出，然后將處理器的執行權交給高優先級任務，而對于那些因為某種原因暫時不需要執行而處于非運行狀態的任務，只有等到特定事件的發生才會被再次調度執行，所以可以將任務的非運行狀態劃分為兩個子狀態：就緒和掛起，如圖2，

圖2 任務狀態和轉換的基礎模型

如圖2所示，只有當任務處于就緒狀態時，才能被系統調度進入運行狀態；而處于運行狀態的任務可以通過兩種方式退出運行：掛起或被搶占，當任務執行完成或者因為某種原因不能繼續運行（如等待一定時間段的延遲）則進入一種暫時停止運行的狀態即掛起狀態，當任務進入掛起狀態，它釋放處理器資源給其他任務，任務可以因為完成相應操作或自身程式產生信號來主動放棄處理器；任務也會因其他任務搶占、時間到期或系統事件被系統強制換出而被動的放棄處理器資源，任務放棄處理器資源的原因可以參見圖3，

圖3 任務掛起的原因

注意，對于作業還未完成被其他任務搶占被強行放棄處理器的任務，不會被掛起而是處于就緒狀態，等待被系統再次調度，

結合上述任務掛起的原因分析可以得出任務狀態的通用模型如圖4所示，其中任務從掛起狀態進入就緒狀態的條件，包括事件、時間間隔到期、事件和時間間隔到期的組合，

圖4 任務狀態和轉換的通用模型

2、實作

任務狀態是反映當前系統中任務所處的狀況，作業系統內核需要維護所有任務的當前狀態，由于引發任務狀態切換的條件和因素較多，所以不同的作業系統在定義系統任務狀態的種類和遷移變化上是有差異的，如圖5、圖6、圖7分別是FreeRTOS、RT-Thread、AliOS Things的任務狀態圖，它們是在任務狀態的通用模型上對掛起狀態進行了細化，但細化子類定義是不同的，并且由同類事件引發的任務狀態遷移的變化也是有差異的，

2.1、FreeRTOS

FreeRTOS將通用模型中的掛起狀態細化為兩種狀態：阻塞和掛起，任務正在等待事件的狀態稱為阻塞狀態，任務進入阻塞狀態等待的事件型別有兩種：

（1） 時間相關的事件

延遲間隔的到期或絕對時間的到達，如任務通過呼叫vTaskDelay()延遲10ms再允許被調度，

（2） 同步事件

其他任務產生的事件或中斷，如任務呼叫xQueueReceive()等待資料到達佇列，

處于掛起狀態的任務將不再被調度，任務只有被其他任務解除掛起狀態才會被調度，處于就緒狀態、運行狀態或者阻塞狀態的任務都可以通過呼叫vTaskSuspend()進入掛起狀態，當有任務呼叫vTaskResume()將其喚醒時，任務進入就緒狀態，

對于新創建的任務因為無需等待任何資源而處于就緒狀態，當系統發生調度時，若無更高優先級任務處于就緒狀態，則該任務將會被調度進入運行狀態，

圖5 FreeRTOS任務狀態和轉換

2.2、RT-Thread

RT-Thread是在任務狀態基礎模型上引入了兩個新的狀態：初始狀態和關閉狀態，任務在創建完成后進入初始狀態，初始狀態的任務可以通過呼叫rt_thread_startup() 函式進入到就緒狀態，當任務運行結束執行rt_thread_exit()函式時或被其他任務呼叫rt_thread_delete/detach() 函式將其洗掉或銷毀時，任務進入關閉狀態，處于運行狀態的任務可以通過呼叫 rt_thread_delay()，rt_sem_take()，rt_mutex_take()，rt_mb_recv() 等函式，進入到掛起狀態；處于掛起狀態的執行緒，如果等待超時依然未能獲得資源或由于其他執行緒釋放了資源，那么它將回傳到就緒狀態，

圖6 RT-Thread 任務狀態和轉換

2.3、AliOS Things

AliOS Things為了充分描述任務在系統中所處的狀態以及引發狀態遷移的條件差異，在上述任務狀態的基礎模型上新增任務洗掉狀態并對掛起狀態進行了細化，具體分為掛起狀態、休眠狀態和阻塞狀態，如圖7，

圖7 AliOS Things任務狀態和轉換

（1）阻塞狀態是指因等待資源而處于等待狀態，如呼叫aos_mutex_lock()獲取互斥量時互斥量已經被鎖定、呼叫aos_queue_recv()獲取佇列資料時佇列為空、呼叫aos_sem_wait()等待信號量時信號量計數為0、呼叫aos_evnet_get()獲取事件時，事件還未發生；

（2）掛起狀態是因任務被其他或自身呼叫掛起函式aos_task_suspend()后，將無條件地停止運行，被掛起的任務只能通過其他任務呼叫恢復函式aos_task_resume()使其恢復到就緒狀態；

（3）休眠狀態是因任務在呼叫任務休眠函式aos_msleep()后，進入一種延遲執行的狀態，直到休眠時間到達任務被重新調度恢復運行，

（4）洗掉狀態是因任務運行完成呼叫任務退出函式aos_task_exit()或被呼叫任務洗掉函式aos_task_del()時被設定的一種狀態，

與RT-Thread和FreeRTOS相比，AliOS Things對新創建任務的狀態給予更多的靈活性，當任務通過呼叫aos_task_new()函式被創建時，任務狀態為就緒狀態，若應用程式不要求任務在創建后立即被調度執行，可以通過呼叫aos_task_new_ext()函式并設定引數autorun為0來創建任務，這時任務處于掛起狀態，當應用程式需要任務執行時，可以通過呼叫aos_task_resume()函式將任務切換至就緒狀態，處于就緒狀態的任務，在系統發生調度時，優先級最高的任務將會獲得處理器的控制權，進入運行狀態，若此時有其他更高優先級的任務處于就緒狀態，該任務將會被搶占，重新放回到就緒狀態，

AliOS Things允許任務處于組合狀態：阻塞掛起狀態或休眠掛起狀態：

（1） 任務在阻塞狀態下，被其他任務掛起，則進入阻塞掛起狀態，該狀態下，若任務被恢復則保持阻塞狀態；若任務解除阻塞則保持掛起狀態，

（2） 任務在休眠狀態下，被其他任務掛起，則進入休眠掛起狀態，該狀態下，若任務被恢復則保持休眠狀態；若任務休眠到期則保持掛起狀態，

注意，雖然FreeRTOS中處于阻塞狀態的任務可以被掛起，但是被掛起后任務不再阻塞，即使任務等待的事件未發生但任務一旦被恢復，將進入就緒狀態，而AliOS Things中任務因等待某個事件進入阻塞狀態，而此時又被其他任務將其掛起，該任務仍然是處于阻塞狀態，如果在此程序中等待的事件發生了，則任務會解除阻塞進入掛起狀態；如果事件未發生，則任務恢復狀態后仍然處于阻塞狀態，這樣設計的好處是可以保證任務解除阻塞是等待的特定事件發生了而引起的，而非因為任務掛起恢復后消除了等待狀態造成的，例如，任務A和任務B同時訪問資源M，由于任務B先拿到互斥量導致任務A因未獲得互斥量而進入阻塞狀態，之后任務C將任務A掛起，然后恢復，此時任務A仍處于阻塞狀態并無法訪問資源M，這樣能夠保證資源M的互斥訪問，如果采用FreeRTOS的任務狀態切換方式，任務A在掛起恢復后將直接進入就緒狀態，這樣任務A可能會在任務B還未操作完成時就訪問了資源M，使得互斥量未起到互斥的作用，

3、示例

下面以一個應用示例來說明AliOS Things中任務狀態切換程序，如圖8所示：

（1） 在t0時刻，任務task1、task2分別通過aos_task_new()和aos_task_new_ext()函式呼叫被創建，之后task1進入就緒狀態，而task2處于掛起狀態，

（2） Task1得到運行后，在t1時刻呼叫aos_task_resume()將task2恢復，task2進入就緒狀態，之后task1通過呼叫aos_msleep()進入休眠狀態，task2因為task1休眠而獲得CPU執行權，task2運行后因等待信號量進入阻塞狀態，

（3） Task1在t2時刻因延遲到期得到運行，并呼叫aos_task_suspend()將task2掛起，task2此時的狀態為阻塞掛起，之后task1通過呼叫aos_msleep()進入休眠狀態，

（4） Task1在t3時刻因延遲到期得到運行，并呼叫aos_task_resume()將task2恢復，此時task2的狀態為阻塞狀態，之后task1通過呼叫aos_msleep()進入休眠狀態，

（5） Task1在t4時刻因延遲到期得到運行，并呼叫aos_sem_signal()釋放信號量，這時task2因等到信號量而進入就緒狀態，待到task1再次進入休眠轉改后task2得到運行，進入運行狀態，

圖8 AliOS Things任務狀態和切換應用示例

根據圖8描述的應用示例，撰寫代碼如下：

#include <aos/kernel.h>
static aos_sem_t g_testsync_sem;
static aos_task_t handle_task2 = {NULL};
void task1_entry()
{
    printf("task1 is running!\n");
    printf("task1 resume task2!\n");
    if (0 != aos_task_resume(&handle_task2))
    {
        printf("task1 resume task2 failed!\n");
    }
    printf("task1 start to sleep and release CPU!\n");
    aos_msleep(10000);

    printf("task1 suspend task2!\n");
    if (0 != aos_task_suspend(&handle_task2))
    {
        printf("task1 resume task2 failed!\n");
    }
    printf("task1 start to sleep and release CPU!\n");
    aos_msleep(10000);

    printf("task1 resume task2 again!\n");
    if (0 != aos_task_resume(&handle_task2))
    {
        printf("task1 resume task2 failed!\n");
    }
    printf("task1 start to sleep and release CPU!\n");
    aos_msleep(10000);
    printf("task1 signal a semphone!\n");
    aos_sem_signal(&g_testsync_sem);
    printf("task1 start to sleep and release CPU!\n");
    aos_msleep(10000);
    aos_task_exit(0);
}

void task2_entry()
{
    printf("task2 is running!\n");
    if (0 != aos_sem_wait(&g_testsync_sem, AOS_WAIT_FOREVER))
    {
        printf("task2 wait semphone failed!\n");
    }

    printf("task2 get semphone and is running!\n");
    aos_task_exit(0);
}

int task_test(void)
{
    int retn;

    retn = aos_sem_new(&g_testsync_sem, 0);
    if (retn != 0)
    {
        printf("%s:%d sem new failed, err=%d\n", __func__, __LINE__, retn);
        return -1;
    }
    if (0 != aos_task_new("task1", task1_entry, NULL, 4096))
    {
        aos_sem_free(&g_testsync_sem);
        return -1;
    }

    if (0 != aos_task_new_ext(&handle_task2, "task2", task2_entry, NULL, 4096, 30, 0))
    {
        aos_sem_free(&g_testsync_sem);
        return -1;
    }

    return 0;
}

上述代碼的運行結果如圖9，

圖9 應用示例代碼運行結果

圖9中，task2在運行之后因為未信號量計數值為0而進入阻塞狀態，此時通過tasklist命令查看task2的任務狀態為“PEND”，這里的“PEND”代表阻塞狀態；之后task1將task2掛起，此時查看到的task2任務狀態為“PEND_SUS”代表阻塞掛起狀態；最后task1恢復task2，此時查到task2任務狀態為“PEND”，說明代碼運行結果與AlisOS Things任務狀態圖中的切換程序是一致的，

4、參考

【1】https://freertos.org/Documentation/161204_Mastering_the_FreeRTOS_Real_Time_Kernel-A_Hands-On_Tutorial_Guide.pdf

【2】https://www.rt-thread.org/document/site/programming-manual/thread/thread/#_12

【3】《Real-time Operating Systems》Jim Cooling.

5、開發者技術支持

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