线程理论知识
252.2.3线程理论知识
#include <rtthread.h> // 引入 RT-Thread 的线程类型、状态码和线程管理 API。
#define DBG_TAG "main" // 把本文件的日志标签设置为 main。
#define DBG_LVL DBG_LOG // 允许输出调试级别及以上的日志。
#include <rtdbg.h> // 在日志配置宏之后引入 RT-Thread 日志接口。
rt_thread_t th1_ptr; // 保存动态线程 th1 的句柄。
struct rt_thread th2_ptr; // 为静态线程 th2 预留线程控制块对象。
rt_uint8_t th2_stack[1024]; // 为静态线程 th2 预留 1024 字节线程栈。
int ret; // 按课程源码接收 rt_thread_init() 返回的状态码。
void th1_printf(uint8_t *parameter) // 两个线程共用的入口函数；该形参写法会产生回调类型不兼容警告，详见正文。
{ // 共用线程入口函数开始。
while (1) // 让调用该入口函数的线程持续运行。
{ // 无限循环开始。
rt_kprintf("In %s,func %s is running! the line is %d!,parameter is %d\r\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, *parameter); // 输出文件、函数、行号及当前线程收到的参数值。
rt_thread_mdelay(1000); // 让当前线程延时阻塞约 1000 ms，使其他就绪线程能够运行。
} // 本轮循环结束。
} // 共用线程入口函数结束。
int main(void) // RT-Thread 初始化完成后，主线程从 main 开始执行。
{ // main 函数开始。
int count = 1; // 作为课程模板中主循环的计数变量。
uint8_t a = 1, b = 2; // 准备两个具有地址的变量，分别作为两个线程的入口参数。
th1_ptr = rt_thread_create("th1", // 动态创建名为 th1 的线程，并保存返回的线程句柄。
th1_printf, // 让 th1 从共用入口函数开始执行。
&a, // 把变量 a 的地址传给 th1，线程中解引用后得到数值 1。
1024, // 由内核从堆中为 th1 分配 1024 字节线程栈。
20, // 把 th1 的优先级设置为 20；数字越小，优先级越高。
10); // 把 th1 的初始时间片设置为 10 个系统 tick。
if (th1_ptr == RT_NULL) // 返回空句柄表示动态创建 th1 失败。
{ // th1 创建失败分支开始。
LOG_E("th1_printf rt_thread_create failed!\r\n"); // 输出 th1 动态创建失败日志。
return -RT_ENOMEM; // 按课程源码返回负的“内存不足”错误码。
} // th1 创建失败分支结束。
rt_thread_startup(th1_ptr); // 启动 th1，使它进入就绪队列并参与调度。
ret = rt_thread_init(&th2_ptr, // 初始化用户提供的静态线程控制块，并接收执行状态。
"th2", // 把静态线程名称设置为 th2。
th1_printf, // 让 th2 也使用同一个 th1_printf 入口函数。
&b, // 把变量 b 的地址传给 th2，线程中解引用后得到数值 2。
th2_stack, // 把用户预留的栈数组首地址交给内核。
1024, // 指明 th2 可使用的栈空间为 1024 字节。
21, // 把 th2 的优先级设置为 21，低于 th1 的 20。
10); // 把 th2 的初始时间片设置为 10 个系统 tick。
if (ret != RT_EOK) // 返回值不是 RT_EOK，表示静态线程初始化失败。
{ // th2 初始化失败分支开始。
LOG_E("th2_printf rt_thread_create failed!\r\n"); // 原样保留课堂日志；此时 th2_printf 已删除，实际调用的也是 rt_thread_init()。
return ret; // 将静态线程初始化的错误码返回给上层。
} // th2 初始化失败分支结束。
rt_thread_startup(&th2_ptr); // 启动 th2，使静态线程进入就绪队列并参与调度。
while (count++) // 按课程源码持续运行主线程循环。
{ // 主线程循环开始。
// LOG_D("Hello RT-Thread!"); // 课堂最终代码关闭了主线程日志输出。
rt_thread_mdelay(1000); // 让主线程延时阻塞约 1000 ms，避免持续占用 CPU。
} // 主线程循环结束。
return RT_EOK; // 理论上的成功返回；正常运行时不会执行到这里。
} // main 函数结束。
一、线程基础知识
本节先梳理 RT-Thread 的线程状态、栈、优先级、阻塞与时间片，再查看当前工程的 rtconfig.h，最后让动态线程 th1 和静态线程 th2 共用一个入口函数，并通过入口参数区分两个线程。
顶部代码按 252 视频结束时的工程状态原样整理。它保留了课堂代码中的函数指针类型警告和旧日志文本，正文会说明原因，但不会擅自改写成另一份“优化版”源码。
1.1 线程状态图解
本项目使用的 RT-Thread 5.0.2 定义了五种基本线程状态：
| 状态 | 宏 | 含义 |
|---|---|---|
| 初始状态 | RT_THREAD_INIT | 线程对象已经创建或初始化，但尚未启动，不参与调度 |
| 就绪状态 | RT_THREAD_READY | 线程具备运行条件，正在相应优先级的就绪队列中等待 CPU |
| 运行状态 | RT_THREAD_RUNNING | 当前正在 CPU 上执行；本课程使用单核 STM32F103，同一时刻只有一个线程真正运行 |
| 挂起状态 | RT_THREAD_SUSPEND | 线程因延时、主动挂起或等待资源而暂时不能运行，不在就绪队列中 |
| 关闭状态 | RT_THREAD_CLOSE | 线程已经结束、被删除或被脱离，不再参与调度 |
最常见的状态转换可概括为：
rt_thread_create() / rt_thread_init()
│
▼
初始状态
│ rt_thread_startup()
▼
就绪状态 ◄──────────── 延时到期、资源到达或被恢复
│ │
│ 调度器选中 │
▼ │
运行状态 ── 延时、等待信号量/互斥量等 ──► 挂起状态
│
├── 被更高优先级线程抢占 ───────────► 就绪状态
│
└── 入口函数返回、删除或脱离 ───────► 关闭状态
需要特别分清以下概念：
rt_thread_create()和rt_thread_init()完成后，线程处于初始状态；只有执行rt_thread_startup()后才进入就绪队列。- “就绪”表示可以运行但当前没有占用 CPU；“挂起/阻塞”表示当前不具备运行条件，即使 CPU 空闲也不能直接运行。
- 运行中的低优先级线程被高优先级线程抢占后，如果它没有阻塞或结束，就回到就绪状态，等待以后再次被选中。
- 运行中的线程入口函数正常返回时会进入关闭流程，不是回到就绪状态。
- 延时或等待 IPC 的线程，在超时或条件满足后先恢复为就绪状态；是否马上运行，还要由调度器根据所有就绪线程的优先级决定。
原笔记把“就绪与运行由 RTOS 管理，其余状态由程序员管理”分得过于绝对。应用程序通过创建、启动、延时和等待等 API 表达意图，真正的队列操作、状态字段修改、超时唤醒与上下文切换仍由内核完成。
1.2 线程创建/删除及栈大小
线程不能简单理解为“建立一个函数”。入口函数只是线程开始执行的位置；一个可调度线程至少还涉及：
- 线程控制块（TCB），保存名称、状态、优先级、时间片、栈指针、入口参数和内置定时器等信息；
- 独立线程栈，用来保存寄存器上下文、函数调用现场、返回地址和局部变量；
- 线程入口函数及其参数；
- 调度器使用的就绪队列或挂起队列节点。
因此，1024 字节栈大小不是“随便分配”的固定答案。栈应根据线程中的局部变量、函数调用深度、格式化输出、所用库函数、架构上下文保存方式等因素估算，并结合运行时栈使用情况验证：
- 栈过小可能发生越界，破坏相邻内存，表现为随机变量变化、异常或系统崩溃；
- 栈过大会浪费嵌入式设备有限的 RAM，线程越多，浪费越明显；
- 出现栈不足时可以增大栈，但还应查明是正常需求、递归、超大局部数组还是其他设计问题；
- 调整前必须确认芯片 RAM、链接布局和其他线程的总内存需求，而不是只看单个线程。
动态线程的 TCB 和栈由内核从堆中分配；静态线程的 TCB 和栈由应用提供。线程结束时，动态线程对应 rt_thread_delete()，静态线程对应 rt_thread_detach()。两种方式都需要正确管理对象生命周期。
1.3 线程优先级
RT-Thread 使用基于优先级的抢占式调度，规则的准确表述是：调度器从所有就绪线程中选择优先级最高的线程运行。
本项目 RT_THREAD_PRIORITY_MAX 为 32，可用编号范围是 0～31，并且数字越小优先级越高。因此本例中：
- 主线程优先级为
10； - 动态线程
th1的优先级为20； - 静态线程
th2的优先级为21； - 空闲线程使用最低的优先级
31。
“高优先级任务先运行”必须带上“处于就绪状态”这个前提。优先级 10 的主线程调用 rt_thread_mdelay() 后处于挂起状态，此时优先级 20 的 th1 才能运行；th1 随后也延时，优先级 21 的 th2 才获得 CPU。如果高优先级线程始终就绪，内核不会因为低优先级线程等待很久就自动让它运行。
低优先级线程正在运行时，如果更高优先级线程被唤醒并进入就绪状态，调度器会保存当前线程的上下文，使其回到就绪状态，再切换到更高优先级线程。高优先级线程阻塞、结束或主动改变状态后，原线程才可能继续执行。
线程抢占与中断嵌套在“高优先级执行流打断低优先级执行流”这一表面现象上相似，但不能视为同一种机制：中断由硬件异常机制触发并运行在中断上下文，线程切换则由内核调度器管理线程上下文。中断服务程序中能调用的 RTOS API 也通常受到额外限制。
1.4 线程中不能有死循环
原笔记的“线程中禁止无限循环”并不准确。RTOS 线程入口最常见的写法恰恰是 while (1)；关键在于循环内部是否会在合适的时机进入阻塞状态。
普通业务线程通常采用以下形式之一：
- 周期任务调用
rt_thread_mdelay()，等待下一个执行周期； - 等待信号量或互斥量；
- 等待事件、邮箱或消息队列；
- 等待设备数据或其他能使线程挂起的资源条件。
如果高优先级线程在无限循环中既不阻塞，也不等待任何资源，它将始终是最高优先级就绪线程，低优先级线程就会饥饿。相同优先级的其他线程可能通过时间片轮转获得 CPU，但这并不能帮助更低优先级线程。
所以应记成：普通线程可以有无限循环，但循环中通常必须存在合理的阻塞点；否则可能空转耗电并饿死低优先级线程。 空闲线程是特殊例外，它本来就是系统中优先级最低、始终就绪的兜底线程，只有在没有其他线程可运行时才执行。
1.5 时间片
线程创建或初始化接口最后一个参数 tick 是初始时间片。时间片的作用范围很容易混淆：
- 只有多个就绪线程处于 相同优先级 时，时间片轮转才决定它们在该优先级队列中的切换；
- 不同优先级线程首先服从优先级抢占规则，不会按各自时间片公平轮流；
- 高优先级线程主动阻塞后，低优先级线程才能运行；这不是低优先级线程“等到了自己的时间片”；
- 线程若在时间片耗尽前调用延时或等待资源，会提前停止运行，无需用完整个时间片。
本项目配置 RT_TICK_PER_SECOND 为 1000，含义是系统节拍频率为 1000 Hz：
$ 1\ \text{tick}=\frac{1}{1000}\ \text{s}=1\ \text{ms} $
因此本例的时间片参数 10 在当前配置下对应名义上的 10 ms。这里的 1000 不是“每秒有 1000 个线程时间片”，而是每秒产生 1000 个 OS tick；时间片计数、线程延时和软件定时器等机制都以系统 tick 为时间基准。
rt_thread_mdelay(1000) 的参数单位直接是毫秒。配套源码会先把毫秒换算为 tick，再让当前线程睡眠；它与创建线程时传入的“10 个 tick 时间片”是两个不同概念。
1.6 头文件
本节查看的是工程根目录下由配置工具生成的 rtconfig.h。视频中涉及的实际配置如下：
| 配置宏 | 当前值 | 准确含义 |
|---|---|---|
RT_NAME_MAX | 8 | 内核对象名称字段的最大字节数，超出部分会被截断；8 字节不等于 8 个 UTF-8 汉字 |
RT_ALIGN_SIZE | 4 | 内核数据与线程栈等对象采用的基本对齐字节数 |
RT_THREAD_PRIORITY_MAX | 32 | 系统支持 32 个优先级编号，即 0～31，不是存在“优先级 32” |
RT_TICK_PER_SECOND | 1000 | 系统节拍频率为 1000 Hz，名义上 1 tick 为 1 ms |
IDLE_THREAD_STACK_SIZE | 256 | 空闲线程栈大小为 256 字节 |
RT_TIMER_THREAD_PRIO | 4 | 软件定时器线程优先级为 4 |
RT_TIMER_THREAD_STACK_SIZE | 512 | 软件定时器线程栈大小为 512 字节 |
RT_MAIN_THREAD_STACK_SIZE | 2048 | 主线程栈大小为 2048 字节 |
RT_MAIN_THREAD_PRIORITY | 10 | 主线程优先级为 10 |
这些值是当前工程配置，不是所有 RT-Thread 项目的固定值。修改优先级数量、系统节拍频率或系统线程栈大小会影响调度、内存占用和时间换算，不能只改宏而不评估整个工程。
如果报告的是空闲线程栈不足，可以在确认实际栈使用情况后调整 IDLE_THREAD_STACK_SIZE；如果溢出的是某个业务线程，应该调整该业务线程创建时的栈大小。修改空闲线程栈宏不能解决其他线程的栈溢出。
1.7 应用案例
1.7.1 例题: 线程调用函数
本节删除了单独的 th2_printf()，让 th1 和 th2 都调用 th1_printf()。同一份函数代码可以被多个线程复用，但每个线程仍有自己的 TCB、栈、调度状态和入口参数。
代码最初尝试把 &1 和 &2 作为参数传入，编译器报告 lvalue required as unary '&' operand。原因是整数常量 1、2 不是可取地址的左值，程序中并不存在一个能由 &1 合法取得的变量对象。课程随后定义：
uint8_t a = 1, b = 2;
再分别传入 &a 和 &b。内核把这个地址保存为入口参数，线程函数通过 *parameter 读取地址指向的值，于是两个线程分别打印 1 和 2。
这里还需要指出视频最终代码保留的一条编译器警告。RT-Thread 的接口要求入口函数类型严格为：
void entry(void *parameter);
而视频把函数写成了 void th1_printf(uint8_t *parameter)。void (*)(uint8_t *) 与 void (*)(void *) 是不同的函数指针类型，所以编译器明确给出 incompatible pointer type 警告。目标平台上这段代码仍运行出了结果，并不代表类型已经正确。
符合接口定义的做法是保留入口形参 void *parameter，在函数内部需要读取 8 位无符号数时再使用 *(uint8_t *)parameter 进行显式转换和解引用。顶部代码仍按视频原样保留 uint8_t *parameter，是为了忠实记录课堂现场，而不是推荐在新代码中照抄这个警告。
参数地址还必须在线程使用期间保持有效。本例的 a、b 是 main() 的局部变量，但主线程一直停留在无限循环中，main() 的栈帧没有返回，所以本次实验期间地址仍然有效。如果创建线程的函数会返回，就不能把普通局部变量地址交给长期运行的线程，否则线程稍后访问的将是失效地址；此时应使用生命周期足够长的静态/全局对象或其他明确的参数存储方案。
两个线程最终会打印相同的文件名、函数名和代码行，因为它们执行的是同一份 th1_printf() 代码；输出中的 parameter is 1 和 parameter is 2 才用于区分不同线程收到的参数。由于 uint8_t 在可变参数调用中会进行整数提升，*parameter 使用 %d 输出在这里能够匹配提升后的 int 类型。
代码中的 while (count++) 也是课程模板原样保留的写法。有符号 int 持续自增最终会溢出，而 C 语言把有符号整数溢出规定为未定义行为；真正需要永久循环时应明确写成 while (1)。本笔记只说明风险，不改写课堂源码。
核对依据：本项目配套 RT-Thread 5.0.2 的 rt-thread/src/thread.c、rt-thread/src/scheduler_up.c、rt-thread/include/rtthread.h、rt-thread/include/rtdef.h 与 rtconfig.h，以及 RT-Thread 官方线程管理文档和官方时钟与定时器文档。