原创有趣的Protothread（2）

 2010-10-31 11:25  3008 10 10 分类: MCU/ 嵌入式

今天看了一下PT1.4的源代码，其实没几句话，用宏架构了子程序运行的框架，给子程序编号记录位置，用switch回到上次的程序位置。

就这样简单几句话却勾起了很多研究，网上见到这样一则帖子http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4077658&bbs_page_no=11&bbs_id=1000

↓↓ 轻量级多线程protothread及类C++编程方法的代码（VC测试下测试通过，附源码）。

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【楼主位】 smset
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轻量级多线程protothread及类C++编程方法的代码 , 用纯C达到类似多线程和C++编程的效果。
这是我学习单片机编程中的一点测试，希望和大家交流一下。

1）把protothread移植到vc里面，方便调试。

2）自己实现了一个用纯C语言达到类似C++编程语法的原型。具有C++编程的风格，但又有良好的可移植性。

本实验在VC测试下测试通过，附源码。

//vc source code--------------

// 1.cpp : Defines the entry point for the console application.
//
//#include <stdio.h>
//#include <stdlib.h>

#include <iostream>
#include "stdafx.h"

#include "pt_type.h"
#include "pt_config.h"
#include "pt.h"
#include "pt_ex.h"
#include "pt_timer.h"
#include "pt-sem.h"
#include "lc.h"

#include <windows.h>

extern void SIGNAL();

PT_TMR_Create(tmr1);
PT_TMR_Create(tmr2);
PT_TMR_Create(tmr3);
PT_TMR_Create(tmr4);

PT_TSK_Create(protothread1);
PT_TSK_Create(protothread2);
PT_TSK_Create(protothread3);
PT_TSK_Create(protothread4);

//--------------------------------------------------------------------
#define INIT_MyClass(x)   {x.init=MyClass_init; x.me=&x; x.init(&x);}

struct MyClass;
struct MyClass {
  int id;
  struct MyClass *me;
  void (*init)(struct MyClass *me);
  void (*disp)(struct MyClass *me);
};

void MyClass_disp(struct MyClass* me){
   char buf[20];
sprintf(buf,"I am Object%i \r\n",me->id);
printf(buf);
}

void MyClass_init(struct MyClass *me){
me->disp= MyClass_disp;
}
//-----------------------------------------------------------
struct MyClass o1,o2,o3,o4;

void MyTicket()
{
int j,k,a,b;
//putchar('\a');
Sleep(1);
    SIGNAL();
}

unsigned char protothread1(struct pt *pt)
{
  PT_BEGIN(pt);
  while(1)
  {
      PT_TimerSet(&tmr1, 3000);
      PT_WAIT_UNTIL(pt, PT_TimerExpired(&tmr1));
//   printf("Hello World 1!\n");
  o1.disp(&o1);
  }
  PT_END(pt);
}

unsigned char protothread2(struct pt *pt)
{
  PT_BEGIN(pt);
  while(1)
  {
      PT_TimerSet(&tmr2, 2000);
      PT_WAIT_UNTIL(pt, PT_TimerExpired(&tmr2));
//   printf("Hello World 2!\n");
  o2.disp(&o2);
  }
  PT_END(pt);
}

unsigned char protothread3(struct pt *pt)
{
  PT_BEGIN(pt);
  while(1)
  {
      PT_TimerSet(&tmr3, 200);
      PT_WAIT_UNTIL(pt, PT_TimerExpired(&tmr3));
//   printf("Hello World 3!\n");
  o3.disp(&o3);
  }
  PT_END(pt);
}

unsigned char protothread4(struct pt *pt)
{
  PT_BEGIN(pt);
  while(1)
  {
      PT_TimerSet(&tmr4, 400);
      PT_WAIT_UNTIL(pt, PT_TimerExpired(&tmr4));
//   printf("Hello World 4!\n");
  o4.disp(&o4);
  }
  PT_END(pt);
}

int main(int argc, char* argv[])
{
printf("Hello World!\n");

int i;
INIT_MyClass(o1);
INIT_MyClass(o2);
INIT_MyClass(o3);
INIT_MyClass(o4);

o1.id=1;
o2.id=2;
o3.id=3;
o4.id=4;

    PT_INIT(&PT_TCB(protothread1));
    PT_INIT(&PT_TCB(protothread2));
    PT_INIT(&PT_TCB(protothread3));
    PT_INIT(&PT_TCB(protothread4));

    while(1) {
if (i<2) MyTicket();
else{
i=0;
protothread1(&PT_TCB(protothread1));
protothread2(&PT_TCB(protothread2));
protothread3(&PT_TCB(protothread3));
protothread4(&PT_TCB(protothread4));
}
i++;
}
return 0;
}

//---- 运行效果：

(原文件名:1.GIF)
引用图片

//源代码包：
点击此处下载

本贴被 smset 编辑过,最后修改时间：2010-06-04,13:59:02.

2010-06-04,13:45:06

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【1楼】 dr2001
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如果LZ想介绍ProtoThread的话，最好详细介绍一下这么干的目的，实现方法，好处和坏处。
在Contiki的一个PDF文档有，不过翻译工作会比较辛苦。

而且，这个范例代码没有非常明显的表现出来Yield Point。

简单来说，ProtoThread和FreeRTOS等的CoRoutine是类似的实现方法，实际应用上，限制很明显。

2010-06-04,14:09:50

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【2楼】 eworker
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回复【1楼】dr2001
-----------------------------------------------------------------------

能具体说一下“CoRoutine”具体有哪些限制？

2010-06-04,14:22:54

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【3楼】 minux 啊啊?
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来自：Plan 9

coroutine和真正的thread的区别挺多，但是也不好说是限制，须知Contiki的使用环境
是传感器网络节点，一般来说，大都是内存极其受限，相比之下，CPU资源是可以不那么
受限的(或者这么说，CPU工作时间长些仅仅是影响节点的寿命，而RAM不够用则节点根本
不可能工作起来)。

protothread就是为了解决这个多线程会消耗过多的RAM的问题而用增加CPU处理工作来做交换。

每个函数(protothread)在yield的时候都完全返回，也就是相当于多个“线程”共用同一个
堆栈。但是这和event-based的系统(比如tinyos)的区别在于，这个系统编程的时候你还是
可以认为是顺序执行的(yield之后如果继续执行的话，不是从函数开头而是从上次yield的
地方继续执行)，event-based的系统则必须人为将系统拆分成许多event(简单的理解，你可
以认为就是把程序全写成状态机的形式，很多情况来说，这对人来说不是一个很好驾驭的
模型，比如我们会很习惯做了这个时候干什么，条件没成熟就继续做什么；可是要弄成状
态机形式，你就必须自己分成几个状态，弄出状态转移图，而用这种类似thread的protothread
则不需要显式地体现出来你的状态机)。

至于protothread(coroutine和它本质一样)的限制，取决于实现，如果使用可移植的switch来实现，
那么限制超多，不能用switch了；如果使用GNU的computed goto来实现，则没有这个限制；
但是不管是什么实现，都需要注意，如果你希望函数的auto变量保存上次的值的话，必须声明成
static，这才是这类在C语言中实现coroutine类机制的本质限制。

这些东西，说到最后就是一个continuation的概念，只不过在函数式编程社区以外都不怎么用这个
概念而已。

上面关于protothread的说得可能过于泛泛，如果想知道详情，还是应该读这篇论文：
Protothreads: Simplifying Event-Driven Programming of Memory-Constrained Embedded Systems
Adam Dunkels, Oliver Schmidt, Thiemo Voigt, Muneeb Ali

2010-06-06,01:41:22

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【4楼】 dr2001
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minux解答的很详细啊。盛赞一下。

补充一点点：
Protothread或者叫Coroutine，主要就是提供continuation point。即函数从yield返回后，下次调用会接着yeild的下一句执行。目的之一是简化代码结构，增强可读性。当然，Iterator这样的东西也可以比较方便的实现。

coroutine可以是有自己独立堆栈的（Thread的协调多任务用法），也可以是共享堆栈的。共享堆栈就是如freertos/coroutine，protothread这样的实现。好处是节约内存；最大劣势是共享堆栈，因此所有栈自动变量在yield会丢失。
解决办法要么是用static/全局变量，不在栈上保存，但是可能丢失重入特性（是否丢看实现手段）；要么用malloc之类的使用堆，但存在内存泄漏(典型为Yield之后Reset)，内存碎片的问题(malloc自身，决定于其算法)。

实现手段上，符合标准，可移植的，是基于switch的实现。为了使coroutine可用并且好用，至少仰赖于以下C标准的规定，或者C标准中没有说，但是经讨论，是合法描述的情形：
- 宏展开后，宏中的代码都在一个物理行上。
- switch的case可以和for/if之类的语句嵌套。即switch(bbb) { for(xx; xx; xx) { case 1: ... ; case 2: yyy} }是合法的。
第二条是switch实现的核心，如果有变化，就over。

标准switch实现的坏处：
- switch必须谨慎使用：嵌入的switch中间不能带yield，（return，exit看实现）之类的返回点。这个可以用if/else避免。
- switch靠后的continuation point的调用一次额外开销比较大，要一个一个比较过去。

使用嵌入汇编，GNU的label，computed goto等实现，限制要少，效率也高。问题一个是可移植；另外一个是编译器优化是否导致问题，嵌入式汇编这个很明显，GNU的我没用过，没体会。

本贴被 dr2001 编辑过,最后修改时间：2010-06-06,10:07:39.

2010-06-06,10:06:50

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