LuaTask教程之调度实现

2018-03-23 本文已影响11人 Luat物联网通信模块

前言

LuaTask是什么？这儿引用稀饭放姜大神给LuaTask写的readme

OpenLuat 基于合宙（AirM2M) 原有Luat平台重构的一个分支，主要是重构了平台代码，增加了基于协程的多线程任务支持，使用户可以快速进行产品的开发，而不用考虑消息的繁琐回调。避免复杂的回调导致类似“goto”那种混淆的逻辑，同时保留了原有的消息回调机制。

当应用场景需要消息回调的时候，依旧可以使用消息的发布和订阅执行模式进行编程。

OpenLuat -- Task 编程

OpenLuat 支持多任务编程，利用底层消息机制和Lua原生协程完美融合实现了多线程支持和多任务编程，并且保留了消息机制特有的高实时性和低功耗特性。
OpenLuat 提供了基于线程阻塞的函数-- wait(ms) ，用来帮助用户解决任务需要延时等待的情况，不同于底层rtos.sleep，调用wait(ms)的任务主动释放资源并挂起，直到延时值满足被主调度器恢复运行。
OpenLuat 提供了消息机制的条件等待超时处理函数-- result, data = waitUntil(id, ms),用来帮助用户解决一些需要等待条件满足立刻恢复任务的情况，并提供了超时调用回调函数的处理方式。返回值用作语句执行结束后做进一步处理用，以满足不同的场景需求。

LuaTask地址：https://github.com/openLuat/Luat

预备知识

如果对Lua的coroutine 有一定了解，可以跳过这部分。

Lua 支持 coroutine ，这个东西也被称为协同式多线程 (collaborative multithreading)。 Lua 为每个 coroutine 提供一个独立的运行线路。举个通俗易懂的例子：去饭店吃饭，假设饭店只有一个厨师，这时候来了三个客人，分别点了一号菜，二号菜，三号菜。如果按照一二三这样的顺序做菜的话，效率很低。现在引入一种新模式，每个菜花2分钟时间去做。这样的顺序就变为了花两分钟做第一道菜，两分钟到了，做第二道菜，二分钟到了，然后第三道菜。这样的好处是每个客人的菜都有一段时间正在制作过程中，不会出现其他菜必须等到一道菜结束后才可以去做。客人就是上帝，二号客人比较饿，所以可以要求厨师花5分钟制作二号菜。这样的好处之一是可以对每道菜灵活分配时间。不太恰当的比喻，厨师就是CPU，客人就是任务。

先看一个简单的程序：

co = coroutine.create(                                      --1
    function(i)
        print(coroutine.status(co))
        print(i);
    end
)

print(coroutine.status(co))                                 --2
coroutine.resume(co, 1)                                     --3
print(coroutine.status(co))                                 --4

--输出结果
--suspended
--running
--1
--dead

创建一个 coroutine 需要调用一次coroutine.create。它只接收单个参数，这个参数是 coroutine 的主函数。 create 函数仅仅创建一个新的 coroutine 然后返回它的控制器（一个类型为 thread 的对象）；它并不会启动 coroutine 的运行。
输出当前线程状态，为suspend（挂起，并未执行）
唤醒线程，传入参数，此时执行线程，线程状态为running，输出1
线程结束，正常退出，coroutine.resume(co, 1)返回true。输出线程状态，为dead。注意：dead之后不能再resume（死了的人怎么能唤醒呢？/滑稽）

这儿提到了三种状态，画了一个图来描述它们之间的关系

方法	释义
coroutine.create()	创建coroutine，返回thread，参数是一个函数建之后线程属于挂起状态，并没有执行！
coroutine.resume()	执行线程，和create配合使用，此时线程为running状态。
coroutine.yield()	挂起coroutine，将coroutine设置为挂起状态。下次执行resume，程序将回到挂起的位置继续执行而不是从头再执行。挂起成功返回true
coroutine.status()	查看coroutine的状态注：coroutine的状态有三种：dead，suspend，running。
coroutine.running()	返回正在跑的coroutine，一个coroutine就是一个线程，当使用running的时候，就是返回一个corouting的线程号

coroutine 可以通过两种方式来终止运行：一种是正常退出，指它的主函数返回（最后一条指令被运行后，无论有没有显式的返回指令）; 另一种是非正常退出，它发生在未保护的错误发生的时候。第一种情况中， coroutine.resume返回 true，接下来会跟着 coroutine 主函数的一系列返回值。第二种发生错误的情况下， coroutine.resume返回 false ，紧接着是一条错误信息。

接下来我们分析一个更详细的实例(引用于Lua手册)：

function foo (a)                                        --1
    print("foo 函数输出", a)
    return coroutine.yield(2 * a) -- 返回  2*a 的值
end
 
co = coroutine.create(function (a , b)                  --2
    print("第一次协同程序执行输出", a, b) -- co-body 1 10
    local r = foo(a + 1)
     
    print("第二次协同程序执行输出", r)
    local r, s = coroutine.yield(a + b, a - b)  -- a，b的值为第一次调用协同程序时传入
     
    print("第三次协同程序执行输出", r, s)
    return b, "结束协同程序"                   -- b的值为第二次调用协同程序时传入
end)
        
print("main", coroutine.resume(co, 1, 10)) -- true, 4       --3
print("--分割线----")
print("main", coroutine.resume(co, "r")) -- true 11 -9      --4
print("---分割线---")
print("main", coroutine.resume(co, "x", "y")) -- true 10 end    --5
print("---分割线---")
print("main", coroutine.resume(co, "x", "y")) -- cannot resume dead coroutine   --5
print("---分割线---")

--输出结果
--[[
第一次协同程序执行输出 1   10
foo 函数输出    2
main    true    4
--分割线----
第二次协同程序执行输出 r
main    true    11  -9
---分割线---
第三次协同程序执行输出 x   y
main    true    10  结束协同程序
---分割线---
main    false   cannot resume dead coroutine
---分割线---

]]

显然，这个例子比上面例子复杂许多，不过只要仔细分析，理解起来也不会困难

调用resume唤醒线程，并传参1,10。输出“第一次协同程序执行输出 1 10”。接下来执行foo函数，输出“foo 函数输出 2”。在foo函数中遇到了yeild，挂起线程，此时程序停留在这儿，下次唤醒线程时从该处继续执行。返回yeild的参数。输出“main true 4”。
- 第二次调用resume唤醒线程，传入参数“r”，注意：此时传入的参数“r”，赋值给coroutine.yield，所以相当于local r = "r"，输出“第二次协同程序执行输出r”。再次遇到yeild，挂起线程，此时程序停留在这儿，下次唤醒线程时从该处继续执行。返回yeild的参数。输出“main true 11 -9”。
  - 第三次调用resume唤醒线程，传入参数“x”，“y”，赋值给coroutine.yield，相当于local r,s = "r","s"，输出“第三次协同程序执行输出xy”。到这儿整个线程就结束了，输出“main true 10 结束协同程序”
第四次调用resume唤醒线程，此时线程已经为dead了，无法唤醒。

resume和yield的配合强大之处在于，resume处于主程中，它将外部状态（数据）传入到协同程序内部；而yield则将内部的状态（数据）返回到主程中。

再举个小例子说明resume和yield关系

co = coroutine.create (function (a,b)
  local a,b = coroutine.yield(a+b)
  print("co", a,b)
end)
print(coroutine.resume(co,4,5))
coroutine.resume(co, 7, 8)
--输出
--[[
true    9
co  7   8
]]

调用resume唤醒线程，并且传入4,5。遇到yeild，挂起程序，返回a+b。所以输出“true 9”。
第二次调用resume唤醒线程，并且传入7,8。此时回到上次挂起的位置，并将赋值给a，b。相当于local a,b = 7,8

LuaTask

为了更好的理解LuaTask，花了大量时间讲解Lua的协同式多线程，接下来进入正题

先写一个测试程序

module(..., package.seeall)


sys.taskInit(function()
    cnt = 0
    while true do
        cnt = cnt + 1
        print("task_A_cnt: ", cnt)
        sys.wait(1000)
    end
end)

sys.taskInit(function()
    cnt = 0
    while true do
        cnt = cnt + 1
        print("task_B_cnt: ", cnt)
        sys.wait(2000)
    end
end)

输出结果,只摘抄了一小部分

task_B_cnt:     132
task_A_cnt:     133
task_A_cnt:     134
task_B_cnt:     135
task_A_cnt:     136
task_A_cnt:     137
task_B_cnt:     138
task_A_cnt:     139
task_A_cnt:     140
task_B_cnt:     141
task_A_cnt:     142

该测试程序总共创建了2个任务，第一个任务每次加1，挂起1000ms，第二个任务每次加1，挂起2000ms，所以最后的输出为：输出两次task_A_cnt，输出一次task_B_cnt。如果在单片机上习惯写UCOS或者FreeRTOS的开发者看到这样的结构肯定不会陌生。

首先调用sys.taskInit创建任务，任务体的格式为

sys.taskInit(function()
    xxxx
    while true do
        xxxxx
        sys.wait(100)
    end
end)

还有一种为

local function xxxx(...) 
    xxxx
end
sys.taskInit(xxxx,...)

和UCOS，FreeRTOS的任务体大致相同，一个while死循环，然后通过延时切换任务。

接下来分析一下sys.taskInit和sys.wait两个重要的函数

先看sys.taskInit的源码

function taskInit(fun, ...)
    local co = coroutine.create(fun)
    coroutine.resume(co, unpack(arg))
    return co
end

sys.taskInit实际是封装了coroutine.create和coroutine.resume。创建一个任务线程,并执行该线程，返回线程号。

再看sys.wait

function wait(ms)
    -- 参数检测，参数不能为负值
    assert(ms &gt; 0, "The wait time cannot be negative!")
    -- 选一个未使用的定时器ID给该任务线程
    if taskTimerId &gt;= TASK_TIMER_ID_MAX then taskTimerId = 0 end
    taskTimerId = taskTimerId + 1
    local timerid = taskTimerId
    taskTimerPool[coroutine.running()] = timerid
    timerPool[timerid] = coroutine.running()
    -- 调用core的rtos定时器
    if 1 ~= rtos.timer_start(timerid, ms) then log.debug("rtos.timer_start error") return end
    -- 挂起调用的任务线程
    local message, data = coroutine.yield()
    if message ~= nil then
        rtos.timer_stop(timerid)
        taskTimerPool[coroutine.running()] = nil
        timerPool[timerid] = nil
        return message, data
    end
end

如何将定时器和任务组织起来的呢？其中最重要的就是taskTimerPool，timerPool这两个表。在此之前我们得每个线程的线程号都是唯一不变的。

程序流程：

检测定时时间是否正确
判断定时器是否用完，如果没有，则分配一个未使用的定时器ID给该任务线程
定时器ID加1
以线程号为下标存储定时器ID号到taskTimerPool表中
以定时器ID号为下标存储线程号ID到timerPool表中
开启定时器

这样描述比较抽象，举个例子会更好理解一点

sys.taskInit(function()
    cnt = 0
    while true do
        print("task: ", 1)
        sys.wait(100)
    end
end)

以这个简单的例子来解释

sys.taskInit创建并运行该线程，进入sys.wait函数，taskTimerId的初始值为0，所以+1，taskTimerId=1，coroutine.running()会返回正在运行的任务的线程号，也就是当前任务的线程号，比如该例中为0x8218dbc0。注意：线程号是唯一不会改变的。所以taskTimerPool[0x8218dbc0] = 1，timerPool[1] = 0x8218dbc0。这样就将定时器ID和线程号联系起来了。然后开启定时器，挂起该任务，执行下一任务。

问题来了，定时器达到定时时间的时候怎么处理呢？

看下面的代码

function run()
    while true do
        -- 分发内部消息
        dispatch()
        -- 阻塞读取外部消息
        local msg, param = rtos.receive(rtos.INF_TIMEOUT)
        -- 判断是否为定时器消息，并且消息是否注册
        if msg == rtos.MSG_TIMER and timerPool[param] then
            if param &lt; TASK_TIMER_ID_MAX then
                local taskId = timerPool[param]
                timerPool[param] = nil
                if taskTimerPool[taskId] == param then
                    taskTimerPool[task  Id] = nil
                    coroutine.resume(taskId)
                end
            else
                local cb = timerPool[param]
                timerPool[param] = nil
                if para[param] ~= nil then
                    cb(unpack(para[param]))
                else
                    cb()
                end
            end
        --其他消息（音频消息、充电管理消息、按键消息等）
        elseif type(msg) == &quot;number&quot; then
            handlers[msg](param)
        else
            handlers[msg.id](msg)
        end
    end
end

读取外部消息，当定时器达到定时时间后，会发生一个消息。下面摘抄至wiki（有问题有多去wiki查找）

所以，msg为rtos.MSG_TIMER，param为定时器ID号。

判断是否为任务开启的定时器，若是，判断定时器ID是否超过最大值
根据timerPool获取线程号并清除
如果能在taskTimerPool中找到定时器ID和任务号对应，则唤醒该线程

这样，我们就能实现任务与任务之间的调度了。

LuaTask教程之调度实现

前言

OpenLuat -- Task 编程

预备知识

LuaTask

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