4.2.3 任务调度

学习阁2026/7/16大约 6 分钟内核组件内核任务管理调度器优先级抢占

4.2.3 任务调度

📚 本节导读

学习时长: 约 25 分钟
难度级别: ⭐⭐⭐⭐☆
前置知识: 任务状态机、优先级概念、Cortex-M PendSV 机制

🎯 学习目标

理解 OneOS 的优先级抢占式调度策略
理解同优先级任务的时间片轮转调度
掌握 os_task_yield() 主动让出的用法
了解 PendSV 上下文切换机制
掌握获取当前任务和任务总数的 API

一、调度策略概述

OneOS-Lite 采用基于优先级的抢占式调度策略，辅以同优先级时间片轮转调度。调度器始终选择就绪队列中优先级最高的任务运行。

调度策略 = 优先级抢占 + 同优先级时间片轮转

1.1 优先级抢占

当一个新的高优先级任务就绪时，调度器会立即抢占当前正在运行的低优先级任务：

时间轴：
────────────────────────────────────────────────────►

低优先级任务 A  ──────────────────┐
                                    │ 被抢占
高优先级任务 B          ────────────┘
（就绪）                 │
                         ▼
                    A 被挂起，B 开始运行

1.2 时间片轮转

当多个同优先级任务就绪时，调度器采用时间片轮转（Round-Robin）方式，每个任务运行一个时间片后切换到下一个同优先级任务：

时间轴：
────────────────────────────────────────────────────►

任务 A (优先级 5)  ────┬────────────┬────────────
任务 B (优先级 5)       ────────────┼────────────
任务 C (优先级 5)                   ─────────────
                    │            │
                  时间片用完    时间片用完
                  切换到 B     切换到 C

二、调度器核心数据结构

2.1 就绪队列（Ready Queue）

调度器使用位图（bitmap）算法管理就绪队列，按优先级组织任务：

/* 优先级数 ≤ 32 时，使用单个 uint32_t 位图 */
struct readyq_bitmap
{
    uint32_t priority_bmap;                              /* 优先级位图 */
    os_list_node_t priority_list_array[OS_TASK_PRIORITY_MAX]; /* 每个优先级一个双向链表 */
};

/* 优先级数 > 32 时，使用两级位图 */
struct readyq_bitmap
{
    uint32_t priority_group_bmap;                        /* 组位图 */
    uint8_t  priority_bmap[(OS_TASK_PRIORITY_MAX + 7) / 8]; /* 组内位图 */
    os_list_node_t priority_list_array[OS_TASK_PRIORITY_MAX];
};

位图算法使得查找最高优先级任务的时间复杂度为 O(1)，非常高效。os_ffs()（Find First Set）函数用于快速定位最高优先级的非空就绪链表。

2.2 关键全局变量

单核模式：

os_task_t *g_os_current_task = OS_NULL;  /* 当前运行任务 */
os_task_t *g_os_next_task    = OS_NULL;  /* 下一个要运行的任务 */
os_task_t *g_os_high_task    = OS_NULL;  /* 最高优先级就绪任务 */
int16_t    g_os_sched_lock_cnt = 0;      /* 调度锁定计数 */

SMP 模式：

os_task_t *g_os_current_task[OS_SMP_MAX_CPUS];  /* 每个 CPU 的当前任务 */
os_task_t *g_os_next_task[OS_SMP_MAX_CPUS];     /* 每个 CPU 的下一个任务 */
static uint32_t g_os_need_sched_bit = 0;         /* 需要调度的 CPU 位图 */

三、`os_task_yield()` —— 主动让出 CPU

3.1 函数签名

os_err_t os_task_yield(void);

3.2 功能说明

os_task_yield() 使当前任务主动让出 CPU 使用权，将其移动到同优先级就绪链表的末尾，然后触发调度让同优先级的下一个任务运行。

3.3 使用限制

不允许在中断上下文中调用
不允许在中断禁用时调用
不允许在调度器锁定时调用

3.4 内部实现流程

os_err_t os_task_yield(void)
{
    current_task = _k_task_self();

    /* 尝试将当前任务移到同优先级就绪链表尾部 */
    if (OS_TRUE == k_readyq_move_tail(current_task))
    {
        /* 有同优先级就绪任务，触发调度 */
        OS_KERNEL_EXIT_SCHED();
    }
    else
    {
        /* 没有同优先级就绪任务，继续运行 */
        OS_KERNEL_EXIT();
    }

    return OS_SUCCESS;
}

3.5 使用示例

void task_a(void *arg)
{
    while (1)
    {
        /* 处理一部分数据 */
        process_data();

        /* 主动让出 CPU 给同优先级任务 */
        os_task_yield();
    }
}

四、调度触发时机

调度器在以下时机被触发：

触发时机	说明
任务创建启动	`os_task_startup()` 将新任务加入就绪队列后
中断退出	中断处理完成后，检查是否需要调度
任务主动让出	`os_task_yield()`
任务延时	`os_task_tsleep()` / `os_task_msleep()` 让任务睡眠
IPC 操作	信号量释放、互斥锁释放等可能唤醒高优先级任务
调度器解锁	`os_schedule_unlock()` 在解锁时检查是否积累的调度请求
系统时钟节拍	每个 tick 中断检查时间片是否用完

五、PendSV 上下文切换机制

5.1 为什么使用 PendSV？

在 ARM Cortex-M 架构中，OneOS 使用 PendSV（Pendable Service Call）异常来实现任务上下文切换。PendSV 具有以下优势：

延迟执行：PendSV 的优先级通常设为最低，确保在中断服务程序（ISR）全部执行完毕后才进行上下文切换
避免中断嵌套：不在 ISR 内部直接切换任务，避免在中断上下文中操作复杂数据结构
原子性保障：PendSV 中断处理函数本身是原子的，不会被同优先级中断打断

5.2 切换流程

┌──────────────┐
│ 1. 触发调度   │  (设置 PendSV 挂起位)
└──────┬───────┘
       ▼
┌──────────────┐
│ 2. 当前 ISR   │  (如果有中断正在处理)
│    执行完毕   │
└──────┬───────┘
       ▼
┌──────────────┐
│ 3. PendSV     │  (最低优先级，所有 ISR 完成后执行)
│    异常进入   │
└──────┬───────┘
       ▼
┌──────────────┐
│ 4. 保存上下文  │  保存当前任务寄存器（R4-R11, SP, LR, PC）
│    到任务栈   │
└──────┬───────┘
       ▼
┌──────────────┐
│ 5. 选择下一    │  从就绪队列获取最高优先级任务
│    个任务     │
└──────┬───────┘
       ▼
┌──────────────┐
│ 6. 恢复上下文  │  从新任务栈恢复寄存器
│    到寄存器   │
└──────┬───────┘
       ▼
┌──────────────┐
│ 7. 异常返回   │  跳转到新任务的 PC 继续执行
└──────────────┘

参考：关于 PendSV 的详细实现，请参阅第 3 章"中断管理与上下文切换"相关内容。

六、任务信息查询 API

6.1 `os_get_current_task()` —— 获取当前任务

os_task_id os_get_current_task(void);

返回当前正在 CPU 上运行的任务 ID。在 SMP 模式下，返回当前 CPU 核心上的任务。

os_task_id current = os_get_current_task();
os_kprintf("Current task: %s\r\n", os_task_get_name(current));

6.2 `os_task_get_total_count()` —— 获取任务总数

uint32_t os_task_get_total_count(void);

返回系统中当前存在的任务总数（包括空闲任务、回收任务等系统任务）。

uint32_t count = os_task_get_total_count();
os_kprintf("Total tasks: %u\r\n", count);

6.3 `os_task_get_id()` —— 按名称查找任务

os_task_id os_task_get_id(const char *name);

通过任务名称查找对应的任务 ID。注意：空闲任务（"idle"）和回收任务（"recycle"）不能被此函数查找。

6.4 `os_task_check_exist()` —— 检查任务是否存在

os_bool_t os_task_check_exist(os_task_id tid);

检查指定的任务 ID 是否对应一个有效的任务。

七、调度器的启动

调度器通过 k_start() 函数启动：

void k_start(void)
{
    /* 选中最高优先级就绪任务 */
    g_os_next_task = g_os_high_task;

    /* 启动第一个任务（架构相关） */
    os_first_task_start();

    /* 永远不会返回 */
}

k_start() 在系统初始化完成后调用，选中最高优先级就绪任务并启动调度。此后内核将一直运行，任务在调度器的管理下不断切换。

📝 本节小结

OneOS 采用基于优先级的抢占式调度，结合同优先级时间片轮转。调度器使用位图算法实现 O(1) 的最高优先级任务查找。任务切换利用 PendSV 异常机制，确保中断处理完毕后才进行上下文切换。os_task_yield() 允许任务主动让出 CPU 给同优先级任务。调度器在任务创建、中断退出、IPC 操作、延时等多个时机被触发。