RT-Thread学习笔记-6、RT-Thread线程间通信学习总结

本篇文章继续总结关于RT-Thread多线程相关的最后一个重要知识点：线程间通信。前面的文章多次提及到，一个大的任务拆分为多个小任务，这些小任务之间必然存在着各种各样的关系，导致这些小任务的线程不能各自为政，必须要考虑其他任务线程的运行情况。

既然已经有了线程间同步，可以让多个线程之间进行相互沟通，那为啥还需要线程间通信呢？线程间通信到底是什么东西，这种方式有什么应用场景？

关于多线程之间的通信，RT-Thread官方提供了比较丰富的文档作为参考，具体可以查看以下链接：

https://www.rt-thread.org/document/site/programming-manual/ipc2/ipc2/

本文尝试从以下几个方面总结一下RT-Thread线程间通信的学习过程

线程间通信的相关概念

什么是线程间通信？通信，顾名思义，就是双方需要进行沟通与对话。通俗地概括，就是A线程在工作运行期间，有某些数据或者信息，要告诉B线程，让B线程接收到这些数据或信息后，能够继续完成指定的任务和工作。

两个线程之间为什么要进行通信呢？还是那句话，多个任务线程并不是独立的，它们在工作的时候是需要根据业务场景进行一定的沟通的，还是以音乐播放器举例，当歌词读取线程把歌词从硬盘里面读出来了，要把这一串读到的歌词告诉给显示线程，让它把歌词显示出来。这个“告诉”的动作，就是通过线程间通信来进行的。

既然都是为了协调线程的工作状态，线程间同步和线程间通信这两者有什么区别呢？区别就是线程间同步能做的事情太有限了，线程间同步只是告诉一下对方“别跑太快，等等我嘛~”，而线程间通信，就是有一大堆的数据和信息要告知对方，万一A线程有很多话要跟B线程说，线程同步这种方式就不能满足要求了，所以需要线程间通信。

线程间通信的方式

针对RT-Thread实时操作系统，线程间通信主要有三种方式：邮箱，消息队列，信号。这三种线程间通信机制都有各自的特点，在实际开发工作里面，需要根据不同的应用场景进行区分使用。

邮箱是线程间通信的其中一种方式，这个邮箱的概念，跟我们生活中使用的邮箱概念，其实是大同小异的，在生活中，如果我们有信件要寄，就把信件往邮筒一扔就可以了，邮局会负责把信件送往目的地。

同样的道理，当A线程有信件（即数据）要发送给B线程，只需要调用操作系统提供的邮箱相关接口函数，把数据发送出去，操作系统就会负责把数据转发到目标线程，整个转发过程是怎样实现的，收和发的线程都不需要关心。

使用邮箱进行线程间通信，特点是开销低，效率高。这是因为，每个邮件信息最多只能是4个字节的内容，所以，这个邮件信息可以是某个数据块的指针，通过指针传递的方式，来传输更多的数据。

邮箱在使用过程中，可能会存在邮箱空或邮箱满的情况，在邮箱空的情况下，接收邮件的线程会选择挂起等待，或者等超时时间到来。在邮箱满的情况下，发送邮件的线程会选择挂起或直接返回一个邮箱满的返回值。

系统内核提供以下邮箱相关的API函数接口，如下图所示。

消息队列是另外一种比较常用的线程间通信方式，相当于邮箱的扩展。跟邮箱不同的是，消息队列是可以接收不定长的数据的，并且把这个不定长的数据复制到自身线程的内存空间。

消息队列其实就是一个数据存储空间，这个存储空间遵循先进先出的原则，也就是说，不管是什么消息，等待消息的线程获得的是最先进入队列的消息。

消息队列控制块里面，其实有两个链表，一个链表是用来挂接空的消息块（也就是没有内容的消息队列），另一个链表是用来挂接存有消息的消息块，具体抽象如下图所示。

当线程A要发送一个消息时，先从空闲消息块链表取出一个块空间，把消息装进去后，把这个消息块挂接到非空消息块链表的队尾。如果使用紧急方式发送消息，则把该消息块挂接到非空消息链表的队首。线程获取消息的时候，总是会获取链表头的消息的。

系统内核提供以下消息队列相关的API函数接口，如下图所示。

信号，在软件层次上其实相当于一种软中断的方式，这种中断机制是操作系统模拟出来的，一个线程收到一个信号，跟硬件处理器收到一个硬件中断请求，这个过程基本上是类似的。

当一个线程在正常运行期间，如果其他线程有突发的事件或异常通知需要处理，就可以通过信号的方式发送出去，线程在正常运行期间不需要等待信号的到来（因为不知道信号什么时候会到来）。

收到信号的线程，对各种信号的处理有以下三种方法：

1、类似中断的处理程序，可以针对需要处理的信号指定处理函数，由该函数来处理。

2、直接忽略某个信号，对该信号不做任何处理，就像未发生过一样。

3、使用系统保留的默认值来处理该信号。

系统内核提供以下信号相关的API函数接口，如下图所示。

多线程通信的应用示例

多线程通信的应用示例，主要是为了验证邮箱，消息队列，信号的API接口函数，并且通过实验现象观察这三种线程通信方式的运行情况。

示例源码下载链接：

https://github.com/embediot/rtthread_study_notes

邮箱示例主要是初始化了2个静态线程，一个静态的邮箱对象，线程 2 发送邮件，共发送 11 次，线程 1 接收邮件，共接收到 11 封邮件，将邮件内容打印出来，并判断结束。

消息队列示例主要初始化了2个静态线程，线程 1 会从消息队列中收取消息，线程 2 定时给消息队列发送普通消息和紧急消息。由于线程 2 发送消息 “I” 是紧急消息，会直接插入消息队列的队首，所以线程 1 在接收到消息 “B” 后，接收的是该紧急消息，之后才接收消息“C”。

信号示例主要是创建了 1 个线程，在安装信号时，信号处理方式设为自定义处理，定义的信号的处理函数为 thread1_signal_handler()，待此线程运行起来安装好信号之后，给此线程发送信号，此线程将接收到信号，并打印信息。

具体示例的实现可以查看工程源码，在thread_communication.h头文件中，打开相应的宏定义开关，重新编译工程并下载到开发板即可。

线程间通信的注意事项

在进行多线程间通信的时候，关于邮箱、消息队列、信号这三种线程间通信方式，有以下一些注意事项：

1、使用邮箱进行线程间通信时，由于一封邮件最多只能是4个字节长度，因此如果要传递较多数据信息，可以使用结构体进行信息封装，通过指针方式进行传递。

2、邮件发送是非阻塞的，因此可以应用于中断服务程序中。但邮件接收是阻塞的，可以设置接收超时的时间，不能在中断服务程序里面使用邮件接收。

3、当邮箱没有邮件且超时时间不为0 ，邮件的接收过程自动变为阻塞方式。当邮箱满了后，发送线程可以选择挂起等待或直接返回邮箱满的错误码。

4、消息队列是一种异步的通信方式，消息队列里面的消息总是遵循先进先出的原则。

5、可以在线程或中断服务程序里面可以给消息队列发送消息，但不能在中断服务程序里面接收消息。

6、可以往消息队列里面发送紧急消息，紧急消息会被放置到消息队列的链表头，会首先被等待的线程获取。

7、信号跟信号量不同，不能混淆两者的概念，信号是软件层面上的一种软中断方式。

8、线程不会用阻塞的方式等待信号的到来，因为线程自身也不知道这个信号（软中断）什么时候会到。

9、线程对信号的处理，可以设置为捕捉信号，忽略信号，使用默认方式处理信号。

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