C语言时间片轮询框架：完全解耦的设计与嵌入式应用实战

在项目开发的初期，合理的代码架构设计往往是决定后期维护和扩展效率的关键。许多开发者，尤其是初学者，习惯边想边写，缺乏整体规划，这容易导致代码结构混乱、Bug频出。即使代码能运行，但到了需要新增功能时，往往牵一发而动全身，甚至可能推倒重来。

因此，在项目启动阶段投入足够的时间进行架构设计是极其必要的。一个好的架构不仅能让你编码时思路清晰、速度快，调试时也能精准定位问题，而非像无头苍蝇般乱撞。当然，调试本身也是一门需要修炼的技术。

学习实时操作系统（RTOS）时，你会发现其核心魅力之一就是框架与业务代码的低耦合性。开发者只需通过标准接口将业务函数注册给操作系统，剩下的调度和管理就交给系统了，非常便捷。

但完整的操作系统调度机制较为复杂。本文借鉴了这种设计思想，用纯C语言实现了一个完全解耦的时间片轮询调度框架。用户只需包含头文件，通过几个简单接口即可使用，无需修改框架本身的库文件代码，实现了业务与框架的彻底分离。

程序实例演示

我们先通过一个Demo来直观感受框架的用法。这个Demo在PC上模拟了单片机环境：

• 一个线程模拟单片机的定时器中断，产生驱动时间片轮询的时钟信号。
• 另一个线程模拟主循环，持续运行时间片轮询调度程序。

#include <thread>
#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#include "timeslice.h"

// 创建5个任务对象
TimesilceTaskObj task_1, task_2, task_3, task_4, task_5;

// 具体的任务函数
void task1_hdl()
{
    printf(">> task 1 is running ...\n");
}

void task2_hdl()
{
    printf(">> task 2 is running ...\n");
}

void task3_hdl()
{
    printf(">> task 3 is running ...\n");
}

void task4_hdl()
{
    printf(">> task 4 is running ...\n");
}

void task5_hdl()
{
    printf(">> task 5 is running ...\n");
}

// 初始化任务对象，并且将任务添加到时间片轮询调度中
void task_init()
{
    timeslice_task_init(&task_1, task1_hdl, 1, 10);
    timeslice_task_init(&task_2, task2_hdl, 2, 20);
    timeslice_task_init(&task_3, task3_hdl, 3, 30);
    timeslice_task_init(&task_4, task4_hdl, 4, 40);
    timeslice_task_init(&task_5, task5_hdl, 5, 50);
    timeslice_task_add(&task_1);
    timeslice_task_add(&task_2);
    timeslice_task_add(&task_3);
    timeslice_task_add(&task_4);
    timeslice_task_add(&task_5);
}

// 开两个线程模拟在单片机上的运行过程
void timeslice_exec_thread()
{
    while (true)
    {
        timeslice_exec();
    }
}

void timeslice_tick_thread()
{
    while (true)
    {
        timeslice_tick();
        Sleep(10);
    }
}

int main()
{
    task_init();

    printf(">> task num: %d\n", timeslice_get_task_num());
    printf(">> task len: %d\n", timeslice_get_task_timeslice_len(&task_3));

    timeslice_task_del(&task_2);
    printf(">> delet task 2\n");
    printf(">> task 2 is exist: %d\n", timeslice_task_isexist(&task_2));

    printf(">> task num: %d\n", timeslice_get_task_num());

    timeslice_task_del(&task_5);
    printf(">> delet task 5\n");

    printf(">> task num: %d\n", timeslice_get_task_num());

    printf(">> task 3 is exist: %d\n", timeslice_task_isexist(&task_3));
    timeslice_task_add(&task_2);
    printf(">> add task 2\n");
    printf(">> task 2 is exist: %d\n", timeslice_task_isexist(&task_2));

    timeslice_task_add(&task_5);
    printf(">> add task 5\n");

    printf(">> task num: %d\n", timeslice_get_task_num());

    printf("\n\n========timeslice running===========\n");

    std::thread thread_1(timeslice_exec_thread);
    std::thread thread_2(timeslice_tick_thread);

    thread_1.join();
    thread_2.join();

    return 0;
}

运行结果如下：

从这个例子可以看出，框架的使用非常便捷。你甚至无需深究其内部原理，仅通过 timeslice_task_init 和 timeslice_task_add 等几个接口，就能快速创建任务并将其纳入调度，极大地提高了开发效率。

时间片轮询框架核心实现

这个框架的核心设计思想是面向对象。在C语言中，我们使用结构体作为“对象”，并通过传递结构体指针来操作，这样既节省了内存资源，又保证了极高的运行效率。

其中最关键的部分是侵入式双向链表的使用。这种链表在Linux内核和许多操作系统（如RT-Thread）中应用非常广泛，它的特点是链表节点嵌入在业务数据结构内部，而非额外创建节点对象，这使得数据管理更加高效。

头文件 (timeslice.h)：

#ifndef _TIMESLICE_H
#define _TIMESLICE_H

#include "./list.h"

typedef enum {
    TASK_STOP,
    TASK_RUN
} IsTaskRun;

typedef struct timesilce
{
    unsigned int id;
    void (*task_hdl)(void);
    IsTaskRun is_run;
    unsigned int timer;
    unsigned int timeslice_len;
    ListObj timeslice_task_list;
} TimesilceTaskObj;

void timeslice_exec(void);
void timeslice_tick(void);
void timeslice_task_init(TimesilceTaskObj* obj, void (*task_hdl)(void), unsigned int id, unsigned int timeslice_len);
void timeslice_task_add(TimesilceTaskObj* obj);
void timeslice_task_del(TimesilceTaskObj* obj);
unsigned int timeslice_get_task_timeslice_len(TimesilceTaskObj* obj);
unsigned int timeslice_get_task_num(void);
unsigned char timeslice_task_isexist(TimesilceTaskObj* obj);

#endif

源文件 (timeslice.c)：

#include "./timeslice.h"

static LIST_HEAD(timeslice_task_list);

void timeslice_exec()
{
    ListObj* node;
    TimesilceTaskObj* task;

    list_for_each(node, ×lice_task_list)
    {
        task = list_entry(node, TimesilceTaskObj, timeslice_task_list);
        if (task->is_run == TASK_RUN)
        {
            task->task_hdl();
            task->is_run = TASK_STOP;
        }
    }
}

void timeslice_tick()
{
    ListObj* node;
    TimesilceTaskObj* task;

    list_for_each(node, ×lice_task_list)
    {
        task = list_entry(node, TimesilceTaskObj, timeslice_task_list);
        if (task->timer != 0)
        {
            task->timer--;
            if (task->timer == 0)
            {
                task->is_run = TASK_RUN;
                task->timer = task->timeslice_len;
            }
        }
    }
}

unsigned int timeslice_get_task_num()
{
    return list_len(×lice_task_list);
}

void timeslice_task_init(TimesilceTaskObj* obj, void (*task_hdl)(void), unsigned int id, unsigned int timeslice_len)
{
    obj->id = id;
    obj->is_run = TASK_STOP;
    obj->task_hdl = task_hdl;
    obj->timer = timeslice_len;
    obj->timeslice_len = timeslice_len;
}

void timeslice_task_add(TimesilceTaskObj* obj)
{
    list_insert_before(×lice_task_list, &obj->timeslice_task_list);
}

void timeslice_task_del(TimesilceTaskObj* obj)
{
    if (timeslice_task_isexist(obj))
        list_remove(&obj->timeslice_task_list);
    else
        return;
}

unsigned char timeslice_task_isexist(TimesilceTaskObj* obj)
{
    unsigned char isexist = 0;
    ListObj* node;
    TimesilceTaskObj* task;

    list_for_each(node, ×lice_task_list)
    {
        task = list_entry(node, TimesilceTaskObj, timeslice_task_list);
        if (obj->id == task->id)
            isexist = 1;
    }

    return isexist;
}

unsigned int timeslice_get_task_timeslice_len(TimesilceTaskObj* obj)
{
    return obj->timeslice_len;
}

底层侵入式双向链表实现

该链表的实现参考了Linux内核中的经典设计，其原理巧妙，在系统编程中属于重要的数据结构基础。想深入了解其原理，可以参考相关资料。

头文件 (list.h)：

#ifndef _LIST_H
#define _LIST_H

#define offset_of(type, member)             (unsigned long) &((type*)0)->member
#define container_of(ptr, type, member)     ((type *)((char *)(ptr) - offset_of(type, member)))

typedef struct list_structure
{
    struct list_structure* next;
    struct list_structure* prev;
} ListObj;

#define LIST_HEAD_INIT(name)    {&(name), &(name)}
#define LIST_HEAD(name)         ListObj name = LIST_HEAD_INIT(name)

void list_init(ListObj* list);
void list_insert_after(ListObj* list, ListObj* node);
void list_insert_before(ListObj* list, ListObj* node);
void list_remove(ListObj* node);
int list_isempty(const ListObj* list);
unsigned int list_len(const ListObj* list);

#define list_entry(node, type, member) \
    container_of(node, type, member)

#define list_for_each(pos, head) \
    for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)

#define list_for_each_safe(pos, n, head) \
  for (pos = (head)->next, n = pos->next; pos != (head); \
    pos = n, n = pos->next)

#endif

源文件 (list.c)：

#include "list.h"

void list_init(ListObj* list)
{
    list->next = list->prev = list;
}

void list_insert_after(ListObj* list, ListObj* node)
{
    list->next->prev = node;
    node->next = list->next;

    list->next = node;
    node->prev = list;
}

void list_insert_before(ListObj* list, ListObj* node)
{
    list->prev->next = node;
    node->prev = list->prev;

    list->prev = node;
    node->next = list;
}

void list_remove(ListObj* node)
{
    node->next->prev = node->prev;
    node->prev->next = node->next;

    node->next = node->prev = node;
}

int list_isempty(const ListObj* list)
{
    return list->next == list;
}

unsigned int list_len(const ListObj* list)
{
    unsigned int len = 0;
    const ListObj* p = list;
    while (p->next != list)
    {
        p = p->next;
        len++;
    }

    return len;
}

至此，一个全新的、完全解耦、方便易用的时间片轮询调度框架就构建完成了。它将操作系统内核的基础设计思想应用于轻量级场景，非常适合资源受限的嵌入式系统，希望能为你的项目开发带来启发。如果你对这类轻量级框架或嵌入式开发感兴趣，欢迎在云栈社区交流探讨。