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LiteOS:盘点那些重要的数据结构

互联网 diligentman 1周前 (02-23) 4次浏览

摘要:本文会给读者介绍下LiteOS源码中常用的几个数据结构,包括: 双向循环链表LOS_DL_LIST,优先级队列Priority Queue,排序链表SortLinkList等。

在学习Huawei LiteOS源代码的时候,常常会遇到一些数据结构的使用。如果没有掌握这它们的用法,阅读LiteOS源代码的时候会很费解、很吃力。本文会给读者介绍下LiteOS源码中常用的几个数据结构,包括: 双向循环链表LOS_DL_LIST,优先级队列Priority Queue排序链表SortLinkList等。在讲解时,会结合相关的绘图,培养数据结构的平面想象能力,帮助更好的学习和理解这些数据结构用法。

本文中所涉及的LiteOS源码,均可以在LiteOS开源站点https://gitee.com/LiteOS/LiteOS 获取。

我们首先来看看使用最多的双向循环链表Doubly Linked List

1、LOS_DL_LIST 双向循环链表

双向链表LOS_DL_LIST核心的代码都在kernelincludelos_list.h头文件中,包含LOS_DL_LIST结构体定义、一些inline内联函数LOS_ListXXX,还有一些双向链表相关的宏定义LOS_DL_LIST_XXXX

双向链表源代码、示例程序代码、开发文档如下:

1.1 LOS_DL_LIST 双向链表结构体

双向链表结构体LOS_DL_LIST定义如下。看得出来,双向链表的结构非常简单、通用、抽象,只包含前驱、后继两个节点,负责承上启下的双向链表作用。双向链表不包任何业务数据信息,业务数据信息维护在业务的结构体中。双向链表作为业务结构体的成员使用,使用示例稍后会有讲述。

typedef struct LOS_DL_LIST {
    struct LOS_DL_LIST *pstPrev; /** 当前节点的指向前驱节点的指针 */
    struct LOS_DL_LIST *pstNext; /** 当前节点的指向后继节点的指针  */
} LOS_DL_LIST; 

从双向链表中的任意一个结点开始,都可以很方便地访问它的前驱结点和后继结点,这种数据结构形式使得双向链表在查找、插入、删除等操作,对于非常方便。由于双向链表的环状结构,任何一个节点的地位都是平等的。从业务上,可以创建一个节点作为Head头节点,业务结构体的链表节点从HEAD节点开始挂载。从head节点的依次遍历下一个节点,最后一个不等于Head节点的节点称之为Tail尾节点。这个Tail节点也是Head节点的前驱。从Head向前查找,可以更快的找到Tail节点。

我们看看LiteOS内核代码中如何使用双向链表结构体的。下面是互斥锁结构体LosMuxCB定义,其中包含双向链表LOS_DL_LIST muxList;成员变量:

typedef struct {
    LOS_DL_LIST muxList; /** 互斥锁的双向链表*/
    LosTaskCB *owner; /** 当前持有锁的任务TCB */
    UINT16 muxCount; /** 持有互斥锁的次数 */
    UINT8 muxStat; /** 互斥锁状态OS_MUX_UNUSED, OS_MUX_USED */
    UINT32 muxId; /** 互斥锁handler ID*/
} LosMuxCB; 

双向循环链表可以把各个互斥锁链接起来,链表和其他业务成员关系如下图所示:

LiteOS:盘点那些重要的数据结构

LiteOS的双向链表为用户提供下面初始化双向列表,增加、删除链表节点,判断节点是否为空,获取链表节点,获取链表所在的结构体,遍历双向链表,遍历包含双向链表的结构体等功能。我们一一来详细的学习、分析下代码。

1.2 LOS_DL_LIST 双向链表初始化

1.2.1 LOS_ListInit(LOS_DL_LIST *list)

LOS_DL_LIST的两个成员*pstPrev*pstNext, 是LOS_DL_LIST结构体类型的指针。需要为双向链表节点申请长度为sizeof(LOS_DL_LIST)的一段内存空间。为链表节点申请完毕内存后,可以调用初始化LOS_ListInit(LOS_DL_LIST *list)方法,把这个节点链接为环状的双向链表。初始化链表的时候,只有一个链表节点,这个节点的前序和后继节点都是自身。

链表节点初始化为链表,如图所示:

LiteOS:盘点那些重要的数据结构

源码如下:

LITE_OS_SEC_ALW_INLINE STATIC INLINE VOID LOS_ListInit(LOS_DL_LIST *list)
{
    list->pstNext = list;
    list->pstPrev = list;
} 

另外,还提供了一个宏LOS_DL_LIST_HEAD,直接定义一个双向链表节点并以该节点初始化为双向链表。

#define LOS_DL_LIST_HEAD(list) LOS_DL_LIST list = { &(list), &(list) } 

1.2.2 LOS_ListEmpty(LOS_DL_LIST *list)

该接口用于判断链表是否为空。如果双向链表的前驱/后继节点均为自身,只有一个链表HEAD头节点,没有挂载业务结构体的链表节点,称该链表为空链表。

源码如下:

LITE_OS_SEC_ALW_INLINE STATIC INLINE BOOL LOS_ListEmpty(LOS_DL_LIST *list)
{
    return (BOOL)(list->pstNext == list);
}

1.3 LOS_DL_LIST 双向链表节点操作

LiteOS双向链表提供三种链表节点插入方法,指定链表节点后面插入LOS_ListAdd、尾部插入LOS_ListTailInsert、头部插入LOS_ListHeadInsert。在头部插入的节点,从头部开始遍历时第一个遍历到,从尾部插入的节点,最后一个遍历到。

1.3.1 LOS_ListAdd(LOS_DL_LIST list, LOS_DL_LIST node)

这个API接口往链表节点*list所在的双向链表中插入一个链表节点*node,插入位置在链表节点*list的后面。如图所示,完成插入后,*node的后继节点是list->pstNext*node的前序节点是*listlist->pstNext的前序节点是*node*list的后续是*node节点。

图示:

LiteOS:盘点那些重要的数据结构

源码如下:

LITE_OS_SEC_ALW_INLINE STATIC INLINE VOID LOS_ListAdd(LOS_DL_LIST *list, LOS_DL_LIST *node)
{
    node->pstNext = list->pstNext;
    node->pstPrev = list;
    list->pstNext->pstPrev = node;
    list->pstNext = node;
} 

1.3.2 LOS_ListTailInsert(LOS_DL_LIST list, LOS_DL_LIST node)

这个API接口往链表节点*list所在的双向链表中插入一个链表节点*node,插入位置在链表节点*list的前面,在list->pstPrev节点的后面。

源码如下:

LITE_OS_SEC_ALW_INLINE STATIC INLINE VOID LOS_ListTailInsert(LOS_DL_LIST *list, LOS_DL_LIST *node)
{
    LOS_ListAdd(list->pstPrev, node);
} 

1.3.3 LOS_ListHeadInsert(LOS_DL_LIST list, LOS_DL_LIST node)

这个API接口和LOS_ListAdd()接口实现同样的功能,往链表节点*list所在的双向链表中插入一个链表节点*node,插入位置在链表节点*list的后面。

源码如下:

LITE_OS_SEC_ALW_INLINE STATIC INLINE VOID LOS_ListHeadInsert(LOS_DL_LIST *list, LOS_DL_LIST *node)
{
    LOS_ListAdd(list, node);
} 

LiteOS双向链表提供两种链表节点的删除方法,指定节点删除LOS_ListDelete、删除并初始化为一个新链表LOS_ListDelInit


1.3.4 LOS_ListDelete(LOS_DL_LIST *node)

这个API接口将链表节点*node从所在的双向链表中删除。节点删除后,可能需要调用Free()函数释放节点所占用的内存。如图所示,*node节点后继节点的前序改为*node的前序,*node节点前序节点的后续改为*node的后续,并把*node节点的前序、后续节点设置为null

图示:

LiteOS:盘点那些重要的数据结构

源码如下:

LITE_OS_SEC_ALW_INLINE STATIC INLINE VOID LOS_ListDelete(LOS_DL_LIST *node)
{
    node->pstNext->pstPrev = node->pstPrev;
    node->pstPrev->pstNext = node->pstNext;
    node->pstNext = NULL;
    node->pstPrev = NULL;
} 

1.3.5 LOS_ListDelInit(LOS_DL_LIST *list)

这个API接口将链表节点*list从所在的双向链表中删除, 并把删除后的节点重新初始化为一个新的双向链表。

*list节点后继节点的前序改为*list的前序,*list节点前序节点的后续改为*list的后续。和LOS_ListDelete()方法不同的是,并不并把*list节点的前序、后续节点设置为null,而是把这个删除的节点重新初始化为一个新的以*list为头结点的双向链表。

源码如下:

LITE_OS_SEC_ALW_INLINE STATIC INLINE VOID LOS_ListDelInit(LOS_DL_LIST *list)
{
    list->pstNext->pstPrev = list->pstPrev;
    list->pstPrev->pstNext = list->pstNext;
    LOS_ListInit(list);
} 

LiteOS双向链表还提供获取链表节点、获取包含链表的结构体地址的操作。

1.3.6 LOS_DL_LIST_LAST(object)

这个宏定义获取链表的前驱节点。

源码如下:

#define LOS_DL_LIST_LAST(object) ((object)->pstPrev) 

1.3.7 LOS_DL_LIST_FIRST(object)

这个宏定义获取链表的后继节点。

源码如下:

#define LOS_DL_LIST_FIRST(object) ((object)->pstNext) 

1.3.8 LOS_OFF_SET_OF(type, member)

这个宏定义根据结构体类型名称type和其中的成员变量名称member,获取member成员变量相对于结构体type的内存地址偏移量。在应用场景上,业务结构体包含双向链表作为成员,当知道双向链表成员变量的内存地址时,和这个偏移量,可以进一步获取业务结构体的内存地址。

源码如下:

#define LOS_OFF_SET_OF(type, member) ((UINTPTR)&((type *)0)->member) 

1.3.9 LOS_DL_LIST_ENTRY(item, type, member)

根据业务结构体类型名称type、其中的双向链表成员变量名称member,和双向链表的内存指针变量item,使用该宏定义LOS_DL_LIST_ENTRY可以获取业务结构体的内存地址。

我们以实际例子演示下这个宏LOS_DL_LIST_ENTRY是如何使用的。互斥锁的control block结构体LosMuxCB在上文已经展示过其代码,有个双向链表的成员变量LOS_DL_LIST muxList。在创建互斥锁的方法LOS_MuxCreate()中,⑴ 处代码从空闲互斥锁链表中获取一个空闲的双向链表节点指针地址LOS_DL_LIST *unusedMux,把这个作为第一个参数,结构体名称LosMuxCB及其成员变量muxList,分别作为第二、第三个参数,使用宏LOS_DL_LIST_ENTRY可以计算出结构体的指针变量地址LosMuxCB *muxCreated,见⑵处代码。

LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 LOS_MuxCreate(UINT32 *muxHandle)
{
    ......
    LosMuxCB *muxCreated = NULL;
    LOS_DL_LIST *unusedMux = NULL;
    ......
⑴  unusedMux = LOS_DL_LIST_FIRST(&g_unusedMuxList);
    LOS_ListDelete(unusedMux);
⑵  muxCreated = LOS_DL_LIST_ENTRY(unusedMux, LosMuxCB, muxList);
    ......
} 

从这个例子上,就比较容易理解,这个宏定义可以用于什么样的场景,读者们可以阅读查看更多使用这个宏的例子,加强理解。

源码如下:

源码实现上,基于双向链表节点的内存地址,和双向链表成员变量在结构体中的地址偏移量,可以计算出结构体的内存地址。

#define LOS_DL_LIST_ENTRY(item, type, member) 
    ((type *)(VOID *)((CHAR *)(item) - LOS_OFF_SET_OF(type, member))) 

1.4 LOS_DL_LIST 双向循环链表遍历

LiteOS双向循环链表提供两种遍历双向链表的方法,LOS_DL_LIST_FOR_EACHLOS_DL_LIST_FOR_EACH_SAFE

1.4.1 LOS_DL_LIST_FOR_EACH(item, list)

该宏定义LOS_DL_LIST_FOR_EACH遍历双向链表,接口的第一个入参表示的是双向链表节点的指针变量,在遍历过程中依次指向下一个链表节点。第二个入参是要遍历的双向链表的起始节点。这个宏是个循环条件部分,用户的业务代码写在宏后面的代码块{}内。

我们以实际例子来演示这个宏LOS_DL_LIST_FOR_EACH是如何使用的。在kernelbaseschedsched_sqlos_priqueue.c文件中,UINT32 OsPriQueueSize(UINT32 priority)函数的片段如下:

&g_priQueueList[priority]是我们要遍历的双向链表,curNode指向遍历过程中的链表节点,见⑴处代码代码。完整代码请访问我们的开源站点。

UINT32 OsPriQueueSize(UINT32 priority)
{
    UINT32 itemCnt = 0;
    LOS_DL_LIST *curNode = NULL;
    ......
⑴  LOS_DL_LIST_FOR_EACH(curNode, &g_priQueueList[priority]) {
    ......
        task = OS_TCB_FROM_PENDLIST(curNode);
    ......
    }
    return itemCnt;
} 

源码如下:

#define LOS_DL_LIST_FOR_EACH(item, list) 
    for (item = (list)->pstNext;         
         (item) != (list);               
         item = (item)->pstNext) 

1.4.2 LOS_DL_LIST_FOR_EACH_SAFE(item, next, list)

该宏定义LOS_DL_LIST_FOR_EACH_SAFELOS_DL_LIST_FOR_EACH唯一的区别就是多个入参next, 这个参数表示遍历到的双向链表节点的下一个节点。该宏用于安全删除,如果删除遍历到的item, 不影响继续遍历。

源码如下:

#define LOS_DL_LIST_FOR_EACH_SAFE(item, next, list)      
    for (item = (list)->pstNext, next = (item)->pstNext; 
         (item) != (list);                               
         item = next, next = (item)->pstNext) 

1.5 LOS_DL_LIST 遍历包含双向链表的结构体

LiteOS双向链表提供三个宏定义来遍历包含双向链表成员的结构体,LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRYLOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY_SAFELOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY_HOOK

1.5.1 LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY(item, list, type, member)

该宏定义LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY遍历双向链表,接口的第一个入参表示的是包含双向链表成员的结构体的指针变量,第二个入参是要遍历的双向链表的起始节点,第三个入参是要获取的结构体名称,第四个入参是在该结构体中的双向链表的成员变量名称。

我们以实际例子来演示这个宏LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY是如何使用的。在kernelbaseschedsched_sqlos_priqueue.c文件中,LosTaskCB *OsGetTopTask(VOID)函数的片段如下。结构体LosTaskCB包含双向链表成员变量pendList,&g_priQueueList[priority] 是对应任务优先级prioritypendList的双向链表。会依次遍历这个双向链表&g_priQueueList[priority],根据遍历到的链表节点,依次获取任务结构体LosTaskCB的指针变量newTask,如⑴处代码所示。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR LosTaskCB *OsGetTopTask(VOID)
{
    UINT32 priority;
    UINT32 bitmap;
    LosTaskCB *newTask = NULL;
    ......
⑴  LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY(newTask, &g_priQueueList[priority], LosTaskCB, pendList) {
        ......
        OsPriQueueDequeue(&newTask->pendList);
        ......
    }
    ......
} 

源码如下:

源码实现上,for循环的初始化语句item = LOS_DL_LIST_ENTRY((list)->pstNext, type, member)表示包含双向链表成员的结构体的指针变量item,条件测试语句&(item)->member != (list)循环条件表示当双向链表遍历一圈到自身节点的时候,停止循环。循环更新语句item = LOS_DL_LIST_ENTRY((item)->member.pstNext, type, member))中,使用(item)->member.pstNext遍历到下一个链表节点,然后根据这个节点获取对应的下一个结构体的指针变量item,直至遍历完毕。

#define LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY(item, list, type, member)             
    for (item = LOS_DL_LIST_ENTRY((list)->pstNext, type, member);        
         &(item)->member != (list);                                      
         item = LOS_DL_LIST_ENTRY((item)->member.pstNext, type, member)) 

1.5.2LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY_SAFE(item, next, list, type, member)

该宏定义和LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY唯一的区别就是多个个入参next, 这个参数表示遍历到的结构体的下一个结构体地址的指针变量。该宏用于安全删除,如果删除遍历到的item,不影响继续遍历。

源码如下:

#define LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY_SAFE(item, next, list, type, member)               
    for (item = LOS_DL_LIST_ENTRY((list)->pstNext, type, member),                     
         next = LOS_DL_LIST_ENTRY((item)->member->pstNext, type, member);             
         &(item)->member != (list);                                                   
         item = next, next = LOS_DL_LIST_ENTRY((item)->member.pstNext, type, member)) 

1.5.3LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY_HOOK(item, list, type, member, hook)

该宏定义和LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY的区别就是多了个入参hook个钩子函数。在每次遍历循环中,调用该钩子函数做些用户定制的工作。

源码如下:

#define LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY_HOOK(item, list, type, member, hook)  
    for (item = LOS_DL_LIST_ENTRY((list)->pstNext, type, member), hook;  
         &(item)->member != (list);                                      
         item = LOS_DL_LIST_ENTRY((item)->member.pstNext, type, member), hook)

2、Priority Queue 优先级队列

在任务调度模块,就绪队列是个重要的数据结构,就绪队列需要支持初始化,出入队列,从队列获取最高优先级任务等操作。LiteOS调度模块支持单一就绪队列(Single Ready Queue)和多就绪队列(Multiple Ready Queue),我们这里主要讲述一下单一就绪队列。

优先级队列Priority Queue接口主要内部使用,用户业务开发时不涉及,不对外提供接口。优先级队列其实就是个双向循环链表数组,提供更加方便的接口支持任务基于优先级进行调度。
优先级队列核心的代码都在kernelbaseincludelos_priqueue_pri.h头文件和kernelbaseschedsched_sqlos_priqueue.c实现文件中。

我们来看看优先级队列支持的操作。

2.1 Priority Queue 优先级队列变量定义

LiteOS支持32个优先级,取值范围0-31,优先级数值越小优先级越大。优先级队列在kernelbaseschedsched_sqlos_priqueue.c文件中定义的几个变量如下,
其中⑴表示优先级为0的位,⑵处表示优先级队列的双向链表数组,后文会初始化为数组的长度为32,⑶表示优先级位图,标志哪些优先级就绪队列里有挂载的任务。

示意图如下:
优先级位图g_priQueueBitmap的bit位和优先级的关系是bits=31-priority,g_priQueueList[priority]优先级数组内容为双向链表,挂载各个优先级的处于就绪状态的任务。

LiteOS:盘点那些重要的数据结构

源码如下:

 #define OS_PRIORITY_QUEUE_NUM 32
⑴ #define PRIQUEUE_PRIOR0_BIT   0x80000000U
⑵ LITE_OS_SEC_BSS LOS_DL_LIST *g_priQueueList = NULL;
⑶ STATIC LITE_OS_SEC_BSS UINT32 g_priQueueBitmap; 

下面我们来学习下优先级队列支持的那些操作。

2.2 Priority Queue 优先级队列接口

2.2.1 OsPriQueueInit(VOID)初始化

优先级队列初始化在系统初始化的时候调用:main.c:main(void)k-->kernelinitlos_init.c:OsMain(VOID)-->kernelbaselos_task.c:OsTaskInit(VOID)-->OsPriQueueInit()

从下面的代码可以看出,⑴处申请长度为32的双向链表数值申请常驻内存,运行期间不会调用Free()接口释放。⑴处代码为数组的每一个双向链表元素都初始化为双向循环链表。

源码如下:

UINT32 OsPriQueueInit(VOID)
{
    UINT32 priority;
    /* 系统常驻内存,运行期间不会Free释放 */
⑴  g_priQueueList = (LOS_DL_LIST *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0, (OS_PRIORITY_QUEUE_NUM * sizeof(LOS_DL_LIST)));
    if (g_priQueueList == NULL) {
        return LOS_NOK;
    }
    for (priority = 0; priority < OS_PRIORITY_QUEUE_NUM; ++priority) {
⑵      LOS_ListInit(&g_priQueueList[priority]);
    }
    return LOS_OK;
} 

2.2.2 OsPriQueueEnqueueHead()插入就绪队列头部

OsPriQueueEnqueueHead()从就绪队列的头部进行插入,插入得晚,但在同等优先级的任务中,会第一个调度。一起看下代码,⑴处先判断指定优先级priority的就绪队列是否为空,如果为空,则在⑵处更新优先级位图。⑶处把就绪状态的任务插入就绪队列的头部,以便优先调度。

源码如下:

VOID OsPriQueueEnqueueHead(LOS_DL_LIST *priqueueItem, UINT32 priority)
{
    LOS_ASSERT(priqueueItem->pstNext == NULL);
⑴  if (LOS_ListEmpty(&g_priQueueList[priority])) {
⑵      g_priQueueBitmap |= PRIQUEUE_PRIOR0_BIT >> priority;
    }
⑶  LOS_ListHeadInsert(&g_priQueueList[priority], priqueueItem);
} 

2.2.3 OsPriQueueEnqueue()插入就绪队列尾部

OsPriQueueEnqueueHead()的区别是,把就绪状态的任务插入就绪队列的尾部,同等优先级的任务中,后插入的后调度。

2.2.4 OsPriQueueDequeue()就绪队列中删除

在任务被删除、进入suspend状态,优先级调整等场景时,都需要调用接口OsPriQueueEnqueue()把任务从优先级队列中删除。

我们来看下代码,⑴把任务从优先级就绪队列中删除。⑵获取删除的任务TCB信息,用来获取任务的优先级。刚从优先级队列中删除了一个任务,⑶处代码判断优先级队列是否为空,
如果为空,则需要执行⑷处代码,把优先级位图中对应的优先级bit位置为0。

源码如下:

VOID OsPriQueueDequeue(LOS_DL_LIST *priqueueItem)
{
    LosTaskCB *runTask = NULL;
⑴  LOS_ListDelete(priqueueItem);
⑵  runTask = LOS_DL_LIST_ENTRY(priqueueItem, LosTaskCB, pendList);
⑶  if (LOS_ListEmpty(&g_priQueueList[runTask->priority])) {
⑷      g_priQueueBitmap &= ~(PRIQUEUE_PRIOR0_BIT >> runTask->priority);
    }
} 

2.2.5 LOS_DL_LIST *OsPriQueueTop(VOID)获取就绪的优先级最高的链表节点

这个接口可以获取优先级就绪队列中优先级最高的链表节点。⑴处判断优先级位图g_priQueueBitmap是否为0,如果为0,说明没有任何就绪状态的任务,返回NULL。 ⑵处计算g_priQueueBitmap二进制时开头的0的数目,这个数目对应于
任务的优先级priority,然后⑶处从&g_priQueueList[priority]优先级队列链表中获取第一个链表节点。

源码如下:

LOS_DL_LIST *OsPriQueueTop(VOID)
{
    UINT32 priority;
⑴  if (g_priQueueBitmap != 0) {
⑵      priority = CLZ(g_priQueueBitmap);
⑶      return LOS_DL_LIST_FIRST(&g_priQueueList[priority]);
    }
    return NULL;
} 

2.2.6 UINT32 OsPriQueueSize(UINT32 priority)获取指定优先级的就绪任务的数量

这个接口可以获取指定优先级的就绪队列中任务的数量。⑴、⑶处代码表示,在SMP多核模式下,根据获取的当前CPU编号的cpuId,判断任务是否属于当前CPU核,如果不属于,则不计数。⑵处代码使用for循环遍历指定优先级就绪队列中的链表节点,对遍历到新节点则执行⑷处代码,对计数进行进行加1操作。

源码如下:

 UINT32 OsPriQueueSize(UINT32 priority)
    {
        UINT32 itemCnt = 0;
        LOS_DL_LIST *curNode = NULL;
    #ifdef LOSCFG_KERNEL_SMP
        LosTaskCB *task = NULL;
⑴      UINT32 cpuId = ArchCurrCpuid();
    #endif
        LOS_ASSERT(ArchIntLocked());
        LOS_ASSERT(LOS_SpinHeld(&g_taskSpin));
⑵      LOS_DL_LIST_FOR_EACH(curNode, &g_priQueueList[priority]) {
    #ifdef LOSCFG_KERNEL_SMP
            task = OS_TCB_FROM_PENDLIST(curNode);
⑶          if (!(task->cpuAffiMask & (1U << cpuId))) {
                continue;
            }
    #endif
⑷          ++itemCnt;
        }
        return itemCnt;
    } 

2.2.7 LosTaskCB *OsGetTopTask(VOID)获取就绪的优先级最高的任务

这个接口或者就绪任务队列中优先级最高的任务。一起看下代码,⑴、⑷处对SMP多核做特殊处理,如果是多核,只获取指定在当前CPU核运行的优先级最高的任务。⑵处获取g_priQueueBitmap优先级位图的值,赋值给UINT32 bitmap;。不直接操作优先级位图的原因是什么呢?在SMP多核时,在高优先级任务就绪队列里没有找到指定在当前CPU核运行的任务,需要执行⑹处的代码,清零临时优先级位图的bit位,去低一级的优先级就绪队列里去查找。只能改动临时优先级位图,不能改变g_priQueueBitmap。⑶处代码对优先级最高的就绪队列进行遍历,如果遍历到则执行⑸处代码从优先级就绪队列里出队,函数返回对应的LosTaskCB *newTask

源码如下:

 {
        UINT32 priority;
        UINT32 bitmap;
        LosTaskCB *newTask = NULL;
    #ifdef LOSCFG_KERNEL_SMP
⑴      UINT32 cpuid = ArchCurrCpuid();
    #endif
⑵      bitmap = g_priQueueBitmap;
        while (bitmap) {
            priority = CLZ(bitmap);
⑶          LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY(newTask, &g_priQueueList[priority], LosTaskCB, pendList) {
    #ifdef LOSCFG_KERNEL_SMP
⑷              if (newTask->cpuAffiMask & (1U << cpuid)) {
    #endif
⑸                  OsPriQueueDequeue(&newTask->pendList);
                    goto OUT;
    #ifdef LOSCFG_KERNEL_SMP
                }
    #endif
            }
⑹          bitmap &= ~(1U << (OS_PRIORITY_QUEUE_NUM - priority - 1));
        }
    OUT:
        return newTask;
    }

3、SortLinkList 排序链表

SortLinkListLiteOS另外一个比较重要的数据结构,它在LOS_DL_LIST双向链表结构体的基础上,增加了RollNum滚动数,用于涉及时间到期、超时的业务场景。在阻塞任务是否到期,定时器是否超时场景下,非常依赖SortLinkList排序链表这个数据结构。LiteOS排序链表支持单一链表LOSCFG_BASE_CORE_USE_SINGLE_LIST和多链表LOSCFG_BASE_CORE_USE_MULTI_LIST,可以通过LiteOSmenuconfig工具更改Sortlink Option选项来配置使用单链表还是多链表,我们这里先讲述前者。

排序链表SortLinkList接口主要内部使用,用户业务开发时不涉及,不对外提供接口。SortLinkList排序链表的代码都在kernelbaseincludelos_sortlink_pri.h头文件和kernelbaselos_sortlink.c实现文件中。

3.1 SortLinkList 排序链表结构体定义

kernelbaseincludelos_sortlink_pri.h文件中定义了两个结构体,如下述源码所示。

SortLinkAttribute结构体定义排序链表的头结点LOS_DL_LIST *sortLink,游标UINT16 cursorSortLinkList结构体定义排序链表的业务节点,除了负责双向链接的成员变量LOS_DL_LIST *sortLink,还包括业务信息,UINT32 idxRollNum,即index索引rollNum滚动数。在单链表的排序链表中,idxRollNum表示多长时间后会到期。

我们举个例子,看下面的示意图。排序链表中,有3个链表节点,分别在25 ticks、35 ticks、50 ticks后到期超时,已经按到期时间进行了先后排序。三个节点的idxRollNum分别等于25 ticks、10
ticks、15 ticks。每个节点的idxRollNum保存的不是这个节点的超时时间,而是从链表head节点到该节点的所
有节点的idxRollNum的加和,才是该节点的超时时间。这样设计的好处就是,随着Tick时间推移,只需要更新第一个节点的超时时间就好,可以好好体会一下。

示意图如下:

LiteOS:盘点那些重要的数据结构

源码如下:

typedef struct {
    LOS_DL_LIST sortLinkNode;
    UINT32 idxRollNum;
} SortLinkList;

typedef struct {
    LOS_DL_LIST *sortLink;
    UINT16 cursor;
    UINT16 reserved;
} SortLinkAttribute; 

下面我们来学习下排序链表支持的那些操作。

3.2 SortLinkList 排序链表接口

在继续之前我们先看下kernelbaseincludelos_sortlink_pri.h文件中的一些单链表配置LOSCFG_BASE_CORE_USE_SINGLE_LIST下的宏定义,包含滚动数最大值等,对滚动数进行加、减、减少1等操作。

源码如下:

#define OS_TSK_SORTLINK_LOGLEN  0U
#define OS_TSK_SORTLINK_LEN     1U
#define OS_TSK_MAX_ROLLNUM      0xFFFFFFFEU
#define OS_TSK_LOW_BITS_MASK    0xFFFFFFFFU
#define SORTLINK_CURSOR_UPDATE(CURSOR)
#define SORTLINK_LISTOBJ_GET(LISTOBJ, SORTLINK)  (LISTOBJ = SORTLINK->sortLink)
#define ROLLNUM_SUB(NUM1, NUM2)         NUM1 = (ROLLNUM(NUM1) - ROLLNUM(NUM2))
#define ROLLNUM_ADD(NUM1, NUM2)         NUM1 = (ROLLNUM(NUM1) + ROLLNUM(NUM2))
#define ROLLNUM_DEC(NUM)                NUM = ((NUM) - 1)
#define ROLLNUM(NUM)                    (NUM)
#define SET_SORTLIST_VALUE(sortList, value) (((SortLinkList *)(sortList))->idxRollNum = (value)) 

3.2.1 UINT32 OsSortLinkInit() 排序链表初始化

在系统启动软件初始化,初始化任务、初始化定时器时,会分别初始化任务的排序链表和定时器的排序链表。

  • kernelbaselos_task.c : UINT32 OsTaskInit(VOID)函数

     `ret = OsSortLinkInit(&g_percpu[index].taskSortLink);` 
  • kernelbaselos_swtmr.c : UINT32 OsSwtmrInit(VOID)函数

     `ret = OsSortLinkInit(&g_percpu[cpuid].swtmrSortLink);` 

我们看下排序链表初始化函数的源代码,⑴处代码计算需要申请多少个双向链表的内存大小,对于单链表的排序链表,OS_TSK_SORTLINK_LOGLEN为0,为一个双向链表申请内存大小即可。然后申请内存,初始化申请的内存区域为0等,⑵处把申请的双向链表节点赋值给sortLinkHeader的链表节点,作为排序链表的头节点,然后调用LOS_ListInit()函数初始化为双向循环链表。
源码如下:

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsSortLinkInit(SortLinkAttribute *sortLinkHeader)
{
    UINT32 size;
    LOS_DL_LIST *listObject = NULL;

⑴  size = sizeof(LOS_DL_LIST) << OS_TSK_SORTLINK_LOGLEN;
    listObject = (LOS_DL_LIST *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0, size); /* system resident resource */
    if (listObject == NULL) {
        return LOS_NOK;
    }

    (VOID)memset_s(listObject, size, 0, size);
⑵  sortLinkHeader->sortLink = listObject;
    LOS_ListInit(listObject);
    return LOS_OK;
} 

3.2.2 VOID OsAdd2SortLink() 排序链表插入

在任务等待互斥锁、信号量等资源阻塞时,定时器启动时,这些需要等待指定时间的任务、定时器等,都会加入对应的排序链表。

我们一起看下代码,包含2个参数,第一个参数sortLinkHeader用于指定排序链表的头结点,第二个参数sortList是待插入的链表节点,此时该节点的滚动数等于对应阻塞任务或定时器的超时时间。

⑴处代码处理滚动数超大的场景,如果滚动数大于OS_TSK_MAX_ROLLNUM,则设置滚动数等于OS_TSK_MAX_ROLLNUM。⑵处代码,如果排序链表为空, 则把链表节点尾部插入。如果排序链表不为空,则执行⑶处代码,获取排序链表上的下一个节点SortLinkList *listSorted。⑷、⑸ 处代码,如果待插入节点的滚动数大于排序链表的下一个节点的滚动数,则把待插入节点的滚动数减去下一个节点的滚动数,并继续执行⑹处代码,继续与下下一个节点进行比较。否则,如果待插入节点的滚动数小于排序链表的下一个节点的滚动数,则把下一个节点的滚动数减去待插入节点的滚动数,然后跳出循环,继续执行⑺处代码,完成待插入节点的插入。插入过程,可以结合上文的示意图进行理解。

源码如下:

LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsAdd2SortLink(const SortLinkAttribute *sortLinkHeader, SortLinkList *sortList)
{
    SortLinkList *listSorted = NULL;
    LOS_DL_LIST *listObject = NULL;
⑴  if (sortList->idxRollNum > OS_TSK_MAX_ROLLNUM) {
        SET_SORTLIST_VALUE(sortList, OS_TSK_MAX_ROLLNUM);
    }
    listObject = sortLinkHeader->sortLink;
⑵  if (listObject->pstNext == listObject) {
        LOS_ListTailInsert(listObject, &sortList->sortLinkNode);
    } else {
⑶      listSorted = LOS_DL_LIST_ENTRY(listObject->pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
        do {
⑷          if (ROLLNUM(listSorted->idxRollNum) <= ROLLNUM(sortList->idxRollNum)) {
                ROLLNUM_SUB(sortList->idxRollNum, listSorted->idxRollNum);
            } else {
⑸              ROLLNUM_SUB(listSorted->idxRollNum, sortList->idxRollNum);
                break;
            }

⑹         listSorted = LOS_DL_LIST_ENTRY(listSorted->sortLinkNode.pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
        } while (&listSorted->sortLinkNode != listObject);

⑺      LOS_ListTailInsert(&listSorted->sortLinkNode, &sortList->sortLinkNode);
    }
} 

3.2.3 VOID OsDeleteSortLink() 排序链表删除

当任务恢复、删除,定时器停止的时候,会从对应的排序链表中删除。

我们一起阅读下删除函数的源代码,包含2个参数,第一个参数sortLinkHeader用于指定排序链表的头结点,第二个参数sortList是待删除的链表节点。

⑴处是获取排序链表的头结点listObject,⑵处代码检查要删除的节点是否在排序链表里,否则输出错误信息和回溯栈信息。⑶处代码判断是否排序链表里只有一个业务节点,如果只有一个节点,直接执行⑸处代码删除该节点即可。如果排序链表里有多个业务节点,则执行⑷处代码获取待删除节点的下一个节点nextSortList,把删除节点的滚动数加到下一个节点的滚动数里,然后执行⑸处代码执行删除操作。

源码如下:

LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsDeleteSortLink(const SortLinkAttribute *sortLinkHeader, SortLinkList *sortList)
{
    LOS_DL_LIST *listObject = NULL;
    SortLinkList *nextSortList = NULL;

⑴  listObject = sortLinkHeader->sortLink;

⑵  OsCheckSortLink(listObject, &sortList->sortLinkNode);

⑶  if (listObject != sortList->sortLinkNode.pstNext) {
⑷      nextSortList = LOS_DL_LIST_ENTRY(sortList->sortLinkNode.pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
        ROLLNUM_ADD(nextSortList->idxRollNum, sortList->idxRollNum);
    }
⑸  LOS_ListDelete(&sortList->sortLinkNode);
} 

3.2.4 UINT32 OsSortLinkGetNextExpireTime() 获取下一个超时到期时间

Tickless特性,会使用此方法获取下一个超时到期时间。

我们一起阅读下源代码,包含1个参数,sortLinkHeader用于指定排序链表的头结点。

⑴处是获取排序链表的头结点listObject,⑵处代码判断排序链表是否为空,如果排序链表为空,则返回OS_INVALID_VALUE。如果链表不为空,⑶处代码获取排序链表的第一个业务节点,然后获取其滚动数,即过期时间,进行返回。

源码如下:

LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 OsSortLinkGetNextExpireTime(const SortLinkAttribute *sortLinkHeader)
{
    UINT32 expireTime = OS_INVALID_VALUE;
    LOS_DL_LIST *listObject = NULL;
    SortLinkList *listSorted = NULL;

⑴  listObject = sortLinkHeader->sortLink;
⑵  if (!LOS_ListEmpty(listObject)) {
⑶      listSorted = LOS_DL_LIST_ENTRY(listObject->pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
        expireTime = listSorted->idxRollNum;
    }
    return expireTime;
} 

3.2.5 OsSortLinkGetTargetExpireTime() 获取指定节点的超时时间

定时器获取剩余超时时间函数LOS_SwtmrTimeGet()会调用函数OsSortLinkGetTargetExpireTime() 获取指定节点的超时时间。

我们一起看下代码,包含2个参数,第一个参数sortLinkHeader用于指定排序链表的头结点,第二个参数targetSortList是待获取超时时间的目标链表节点。

⑴处代码获取目标节点的滚动数。⑵处代码获取排序链表的头结点listObject,⑶处代码获取排序链表上的下一个节点SortLinkList *listSorted。⑷处循环代码,当下一个节点不为目标链表节点的时候,依次循环,并执行⑸处代码把循环遍历的各个节点的滚动数相加,最终的计算结果即为目标节点的超时时间。

源码如下:

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 OsSortLinkGetTargetExpireTime(const SortLinkAttribute *sortLinkHeader,
                                                            const SortLinkList *targetSortList)
{
    SortLinkList *listSorted = NULL;
    LOS_DL_LIST *listObject = NULL;
⑴  UINT32 rollNum = targetSortList->idxRollNum;

⑵  listObject = sortLinkHeader->sortLink;
⑶  listSorted = LOS_DL_LIST_ENTRY(listObject->pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);

⑷  while (listSorted != targetSortList) {
⑸      rollNum += listSorted->idxRollNum;
        listSorted = LOS_DL_LIST_ENTRY((listSorted->sortLinkNode).pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
    }

    return rollNum;
} 

3.2.6 VOID OsSortLinkUpdateExpireTime() 更新超时时间

Tickless特性,会使用此方法更新超时时间。Tickless休眠sleep时,需要把休眠的ticks数目从排序链表里减去。调用此方法的函数会保障减去的ticks数小于节点的滚动数。

我们一起阅读下源代码,包含2个参数,第一个参数sleepTicks是休眠的ticks数,第二个参数sortLinkHeader用于指定排序链表的头结点。

⑴处获取排序链表的头结点listObject,⑵处代码获取下一个链表节点sortList,这个也是排序链表的第一个业务节点,然后把该节点的滚动数减去sleepTicks - 1完成超时时间更新。

源码如下:

LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsSortLinkUpdateExpireTime(UINT32 sleepTicks, SortLinkAttribute *sortLinkHeader)
{
    SortLinkList *sortList = NULL;
    LOS_DL_LIST *listObject = NULL;

    if (sleepTicks == 0) {
        return;
    }

⑴  listObject = sortLinkHeader->sortLink;
⑵  sortList = LOS_DL_LIST_ENTRY(listObject->pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
    ROLLNUM_SUB(sortList->idxRollNum, sleepTicks - 1);
}

3.3 SortLinkList 排序链表和Tick时间关系

任务、定时器加入排序链表后,随时时间推移,一个tick一个tick的逝去,排序链表中的滚动数是如何更新的呢?

我们看看Tick中断的处理函数VOID OsTickHandler(VOID),该函数在kernelbaselos_tick.c文件里。

当时间每走过一个tick,会调用该中断处理函数,代码片段中的⑴、⑵处的代码分别扫描任务和定时器,检查和更新时间。

LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsTickHandler(VOID)
{
    UINT32 intSave;

    TICK_LOCK(intSave);
    g_tickCount[ArchCurrCpuid()]++;
    TICK_UNLOCK(intSave);
    ......
⑴  OsTaskScan(); /* task timeout scan */

#if (LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR == YES)
⑵  OsSwtmrScan();
#endif
} 

我们以OsTaskScan()为例,快速了解下排序链表和tick时间的关系。函数在kernelbaselos_task.c文件中,函数代码片段如下:
⑴处代码获取任务排序链表的第一个节点,然后执行下一行代码把该节点的滚动数减去1。⑵处代码循环遍历排序链表,如果滚动数为0,即时间到期了,会调用LOS_ListDelete()函数从从排序链表中删除,然后执行⑶处代码,获取对应的taskCB,然后进一步进行业务处理。读者可以自行查看更多代码,后续的文章中也会对任务、定时器进行专题进行讲解。

LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsTaskScan(VOID)
{
    SortLinkList *sortList = NULL;
    ......
    LOS_DL_LIST *listObject = NULL;
    SortLinkAttribute *taskSortLink = NULL;

    taskSortLink = &OsPercpuGet()->taskSortLink;
    SORTLINK_CURSOR_UPDATE(taskSortLink->cursor);
    SORTLINK_LISTOBJ_GET(listObject, taskSortLink);
    ......
⑴  sortList = LOS_DL_LIST_ENTRY(listObject->pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
    ROLLNUM_DEC(sortList->idxRollNum);

⑵  while (ROLLNUM(sortList->idxRollNum) == 0) {
        LOS_ListDelete(&sortList->sortLinkNode);
⑶      taskCB = LOS_DL_LIST_ENTRY(sortList, LosTaskCB, sortList);
         ......
        sortList = LOS_DL_LIST_ENTRY(listObject->pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
    }
    ......
} 

小结

掌握LiteOS内核的双向循环链表LOS_DL_LIST,优先级队列Priority Queue,排序链表SortLinkList等重要的数据结构,给进一步学习、分析LiteOS源代码打下了基础,让后续的学习更加容易。后续也会陆续推出更多的分享文章,敬请期待,也欢迎大家分享学习使用LiteOS的心得,有任何问题、建议,都可以留言给我们: https://gitee.com/LiteOS/Lite&#8230; 。为了更容易找到LiteOS代码仓,建议访问 https://gitee.com/LiteOS/LiteOS ,关注Watch、点赞Star、并Fork到自己账户下,如下图,谢谢。

LiteOS:盘点那些重要的数据结构

本文分享自华为云社区《LiteOS内核源码分析系列一 盘点那些重要的数据结构 》,原文作者:zhushy 。

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