RT_thread内核对象管理架构

内核对象管理架构

RT-Thread 采用内核对象管理系统来访问 / 管理所有内核对象,内核对象包含了内核中绝大部分设施,这些内核对象可以是静态分配的静态对象,也可以是从系统内存堆中分配的动态对象。

通过这种内核对象的设计方式,RT-Thread 做到了不依赖于具体的内存分配方式,系统的灵活性得到极大的提高。

RT-Thread 内核对象包括:线程,信号量,互斥量,事件,邮箱,消息队列和定时器,内存池,设备驱动等。对象容器中包含了每类内核对象的信息,包括对象类型,大小等。对象容器给每类内核对象分配了一个链表,所有的内核对象都被链接到该链表上,如图 RT-Thread 的内核对象容器及链表如下图所示:

RT-Thread 的内核对象容器及链表

下图则显示了 RT-Thread 中各类内核对象的派生和继承关系。对于每一种具体内核对象和对象控制块,除了基本结构外,还有自己的扩展属性(私有属性),例如,对于线程控制块,在基类对象基础上进行扩展,增加了线程状态、优先级等属性。这些属性在基类对象的操作中不会用到,只有在与具体线程相关的操作中才会使用。因此从面向对象的观点,可以认为每一种具体对象是抽象对象的派生,继承了基本对象的属性并在此基础上扩展了与自己相关的属性。

RT-Thread 内核对象继承关系

在对象管理模块中,定义了通用的数据结构,用来保存各种对象的共同属性,各种具体对象只需要在此基础上加上自己的某些特别的属性,就可以清楚的表示自己的特征。

这种设计方法的优点有:

(1)提高了系统的可重用性和扩展性,增加新的对象类别很容易,只需要继承通用对象的属性再加少量扩展即可。

(2)提供统一的对象操作方式,简化了各种具体对象的操作,提高了系统的可靠性。

上图中由对象控制块 rt_object 派生出来的有:线程对象、内存池对象、定时器对象、设备对象和 IPC 对象(IPC:Inter-Process Communication,进程间通信。在 RT-Thread 实时操作系统中,IPC 对象的作用是进行线程间同步与通信);由 IPC 对象派生出信号量、互斥量、事件、邮箱与消息队列、信号等对象。

对象控制块

内核对象控制块的数据结构:

struct rt_object
{
     /* 内核对象名称     */
     char      name[RT_NAME_MAX];
     /* 内核对象类型     */
     rt_uint8_t  type;
     /* 内核对象的参数   */
     rt_uint8_t  flag;
     /* 内核对象管理链表 */
     rt_list_t   list;
};

目前内核对象支持的类型如下:

enum rt_object_class_type
{
     RT_Object_Class_Thread = 0,             /* 对象为线程类型      */
#ifdef RT_USING_SEMAPHORE
    RT_Object_Class_Semaphore,              /* 对象为信号量类型    */
#endif
#ifdef RT_USING_MUTEX
    RT_Object_Class_Mutex,                  /* 对象为互斥量类型    */
#endif
#ifdef RT_USING_EVENT
    RT_Object_Class_Event,                  /* 对象为事件类型      */
#endif
#ifdef RT_USING_MAILBOX
    RT_Object_Class_MailBox,                /* 对象为邮箱类型      */
#endif
#ifdef RT_USING_MESSAGEQUEUE
    RT_Object_Class_MessageQueue,           /* 对象为消息队列类型   */
#endif
#ifdef RT_USING_MEMPOOL
    RT_Object_Class_MemPool,                /* 对象为内存池类型     */
#endif
#ifdef RT_USING_DEVICE
    RT_Object_Class_Device,                 /* 对象为设备类型       */
#endif
    RT_Object_Class_Timer,                  /* 对象为定时器类型     */
#ifdef RT_USING_MODULE
    RT_Object_Class_Module,                 /* 对象为模块          */
#endif
    RT_Object_Class_Unknown,                /* 对象类型未知        */
    RT_Object_Class_Static = 0x80           /* 对象为静态对象      */
};

从上面的类型说明,我们可以看出,如果是静态对象,那么对象类型的最高位将是 1(是 RT_Object_Class_Static 与其他对象类型的与操作),否则就是动态对象,系统最多能够容纳的对象类别数目是 127 个。

内核对象管理方式

内核对象容器的数据结构:

struct rt_object_information
{
     /* 对象类型 */
     enum rt_object_class_type type;
     /* 对象链表 */
     rt_list_t object_list;
     /* 对象大小 */
     rt_size_t object_size;
};

一类对象由一个 rt_object_information 结构体来管理,每一个这类对象的具体实例都通过链表的形式挂接在 object_list 上。而这一类对象的内存块尺寸由 object_size 标识出来(每一类对象的具体实例,他们占有的内存块大小都是相同的)。

初始化对象

在使用一个未初始化的静态对象前必须先对其进行初始化。初始化对象使用以下接口:

void rt_object_init(struct  rt_object*  object ,
                    enum rt_object_class_type  type ,
                    const char* name)

当调用这个函数进行对象初始化时,系统会把这个对象放置到对象容器中进行管理,即初始化对象的一些参数,然后把这个对象节点插入到对象容器的对象链表中,对该函数的输入参数的描述如下表:

参数 描述
object 需要初始化的对象指针,它必须指向具体的对象内存块,而不能是空指针或野指针
type 对象的类型,必须是 rt_object_class_type 枚举类型中列出的除 RT_Object_Class_Static 以外的类型(对于静态对象,或使用 rt_object_init 接口进行初始化的对象,系统会把它标识成 RT_Object_Class_Static 类型)
name 对象的名字。每个对象可以设置一个名字,这个名字的最大长度由 RT_NAME_MAX 指定,并且系统不关心它是否是由’\0’做为终结符

脱离对象

从内核对象管理器中脱离一个对象。脱离对象使用以下接口:

void rt_object_detach(rt_object_t object);

调用该接口,可使得一个静态内核对象从内核对象容器中脱离出来,即从内核对象容器链表上删除相应的对象节点。对象脱离后,对象占用的内存并不会被释放。

分配对象

上述描述的都是对象初始化、脱离的接口,都是面向对象内存块已经有的情况下,而动态的对象则可以在需要时申请,不需要时释放出内存空间给其他应用使用。申请分配新的对象可以使用以下接口:

rt_object_t rt_object_allocate(enum  rt_object_class_type type ,
                               const  char*  name)

在调用以上接口时,系统首先需要根据对象类型来获取对象信息(特别是对象类型的大小信息以用于系统能够分配正确大小的内存数据块),而后从内存堆中分配对象所对应大小的内存空间,然后再对该对象进行必要的初始化,最后将其插入到它所在的对象容器链表中。对该函数的输入参数的描述如下表:

参数 描述
type 分配对象的类型,只能是 rt_object_class_type 中除 RT_Object_Class_Static 以外的类型。并且经过这个接口分配出来的对象类型是动态的,而不是静态的
name 对象的名字。每个对象可以设置一个名字,这个名字的最大长度由 RT_NAME_MAX 指定,并且系统不关心它是否是由’\0’做为终结符
返回 ——
分配成功的对象句柄 分配成功
RT_NULL 分配失败

删除对象

对于一个动态对象,当不再使用时,可以调用如下接口删除对象,并释放相应的系统资源:

void rt_object_delete(rt_object_t object);

当调用以上接口时,首先从对象容器链表中脱离对象,然后释放对象所占用的内存。对该函数的输入参数的描述下表:

参数 描述
object 对象的句柄

辨别对象

判断指定对象是否是系统对象(静态内核对象)。辨别对象使用以下接口:

rt_err_t rt_object_is_systemobject(rt_object_t object);

调用 rt_object_is_systemobject 接口可判断一个对象是否是系统对象,在 RT-Thread 操作系统中,一个系统对象也就是一个静态对象,对象类型标识上 RT_Object_Class_Static 位置位。通常使用 rt_object_init() 方式初始化的对象都是系统对象。对该函数的输入参数的描述如下表:

rt_object_is_systemobject() 的输入参数

参数 描述
object 对象的句柄
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