完全解耦的时间片轮序调度框架：C语言实现与嵌入式应用

1、程序框架的重要性

很多开发人员，尤其是初学者，在编写代码时常常是边想边写，缺乏前期的整体规划，导致后期代码越来越混乱，Bug 频出。最终，代码或许能够运行（甚至可能真的没有问题），但当需要添加新功能时，往往会浪费大量时间，甚至导致整个程序崩溃。

因此，在项目启动初期，投入时间进行合理的代码架构设计至关重要。

良好的架构确立后，你会发现自己编写代码的速度会显著提升，并且在后期调试时，也不会像无头苍蝇一样到处寻找问题。当然，调试本身也是一项需要技巧的工作。

在学习实时操作系统（RTOS）的过程中，我发现其内核框架与用户业务代码之间的耦合度非常低。用户只需要通过特定的接口函数将业务代码注册进去，然后交给操作系统托管即可，这种方式十分便捷。

然而，操作系统的调度机制相对复杂。本文借鉴了操作系统的设计思想，重构一个轻量级的 时间片轮询框架，目标是实现完全解耦。用户只需包含头文件，在使用过程中完全不需要修改已经编写好的库文件代码。

2、程序实例

首先来看一个演示程序。这个 Demo 在 PC 上使用两个线程进行模拟：

• 一个线程模拟单片机的定时器中断，为时间片轮询提供时钟节拍。
• 另一个线程模拟主函数中持续运行的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：

从上面的例子可以看出，这个框架使用起来非常方便。开发者甚至可以完全不了解其内部原理，仅通过几个简单的接口函数，就能快速创建任务并将其加入到时间片轮询框架中，易于上手且实用。

3、时间片轮询框架

该框架的核心设计思想采用了面向对象的思维。使用结构体作为任务对象，并通过结构体指针进行参数传递，这样做可以节省系统资源，同时保证极高的运行效率。

其中最具挑战性的部分是侵入式链表的使用。这种链表在一些操作系统内核中应用非常广泛，本文的实现参考了 RT-Thread 实时操作系统 中的侵入式链表设计。

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;
}

4、底层侵入式双向链表

该链表是 Linux 内核中广泛使用且非常经典的数据结构，其原理具体可以参考相关文章：https://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3562146.html

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、完全解耦的、使用方便的时间片轮询框架就完成了。这种清晰的代码架构设计思想，对于提升嵌入式 C语言 项目的可维护性和可扩展性非常有帮助。如果想深入探讨嵌入式开发中的更多实用技巧和框架设计，欢迎在技术社区交流分享。