使用RTOS的优势与挑战
使用多任务系统，可以解决“函数直接相互影响”的问题，但是也会引入同步、互斥等新的问题。
多任务模式
注意：多任务系统的调度机制有FIFO、RR两种（后面介绍）。简单地说FIFO机制是“先进先出”，先排队的任务先运行直到它放弃运行；RR机制是“Round-Robin”，多个任务轮流运行。下面的例子是基于RR机制来描述的。
对于裸机程序，无论使用哪种模式进行精心的设计，在最差的情况下都无法解决这个问题：假设有A、B两个都很耗时的函数，无法降低它们相互之间的影响。使用状态机模式时，如果函数拆分得不好，也会导致这个问题。本质原因是：函数是轮流执行的。假设“喂一口饭”需要t1t5这5段时间，“回一个信息需要”tate这5段时间，轮流执行时：先执行完t1t5，再执行tate，如图2.2所示：
. 裸机程序和RTOS程序的运行比较图
对于职场妈妈，她怎么解决这个问题呢？她是一个眼明手快的人，可以一心多用，她这样做：
① 左手拿勺子，给小孩喂饭
② 右手敲键盘，回复同事
③ 两不耽误，小孩“以为”妈妈在专心喂饭，同事“以为”她在专心聊天
④ 但是脑子只有一个啊，虽然说“一心多用”，但是谁能同时思考两件事？
⑤ 只是她反应快，上一秒钟在考虑夹哪个菜给小孩，下一秒钟考虑给同事回复什么信息
本质是：交叉执行，t1t5和tate交叉执行，如图2.3所示：
. 职场妈妈交叉做事
基于多任务系统编写程序时，示例代码如下：
// RTOS程序
喂饭任务()
{
while (1)
{
喂一口饭();
}
}
09
回信息任务()
{
while (1)
{
回一个信息();
}
}
17
void main()
{
// 创建2个任务
create_task(喂饭任务);
create_task(回信息任务);
23
// 启动调度器
start_scheduler();
}
第21、22行，创建2个任务；
第25行，启动调度器；
之后，这2个任务就会交叉执行了。
基于多任务系统编写程序时，反而更简单了：
① 上面第2~8行是“喂饭任务”的代码；
② 第10~16行是“回信息任务”的代码，编写它们时甚至都不需要考虑它和其他函数的相互影响。
就好像有2个单板：一个只运行“喂饭任务”这个函数、另一个只运行“回信息任务”这个函数。
多任务系统会依次给这些任务分配时间：你执行一会，我执行一会，如此循环。只要切换的间隔足够短，用户会“感觉这些任务在同时运行”。如图2.4所示：
. RTOS里任务轮流运行
互斥操作
多任务系统中，多个任务可能会“同时”访问某些资源，需要增加保护措施以防止混乱。比如任务A、B都要使用串口，能否使用一个全局变量让它们独占地、互斥地使用串口？示例代码如下：
// RTOS程序
int g_canuse = 1;
03
void uart_print(char \*str)
{
if (g_canuse)
{
g_canuse = 0;
printf(str);
g_canuse = 1;
}
}
13
task_A()
{
while (1)
{
uart_print("0123456789\n");
}
}
21
task_B()
{
while (1)
{
uart_print("abcdefghij");
}
}
29
void main()
{
// 创建2个任务
create_task(task_A);
create_task(task_B);
// 启动调度器
start_scheduler();
}
注意：下列描述是基于RR调度机制。
程序的意图是：task_A打印“0123456789”，task_B打印“abcdefghij”。在task_A或task_B打印的过程中，另一个任务不能打印，以避免数字、字母混杂在一起，比如避免打印这样的字符：“012abc”。
第6行使用全局变量g_canuse实现互斥打印，它等于1时表示“可以打印”。在进行实际打印之前，先把g_canuse设置为0，目的是防止别的任务也来打印。
这个程序大部分时间是没问题的，但是只要它运行的时间足够长，就会出现数字、字母混杂的情况。
下面把uart_print函数标记为①~④个步骤：
void uart_print(char \*str)
{
if( g_canuse ) ①
{
g_canuse = 0; ②
printf(str); ③
g_canuse = 1; ④
}
}
假设task_A、task_B如下执行：
如果task_A执行完①，进入if语句里面执行②之前被切换为task_B：在这一瞬间，g_canuse还是1。
task_B执行①时也会成功进入if语句，假设它执行到③，在printf打印完部分字符比如“abc”后又再次被切换为task_A。
task_A继续从上次被暂停的地方继续执行，即从②那里继续执行，成功打印出“0123456789”。这时在串口上可以看到打印的结果为：“abc0123456789”。
是不是“①判断”、“②清零”间隔太远了，uart_print函数改进成如下的代码呢？
void uart_print(char \*str)
{
g_canuse--; ① 减一
if( g_canuse == 0 ) ② 判断
{
printf(str); ③ 打印
}
g_canuse++; ④ 加一
}
即使改进为上述代码，仍然可能产生两个任务同时使用串口的情况。因为“①减一”这个操作会分为3个步骤：a.从内存读取变量的值放入寄存器里，b.修改寄存器的值让它减一，c.把寄存器的值写到内存上的变量上去。
如果task_A执行完步骤a、b，还没来得及把新值写到内存的变量里，就被切换为task_B：在这一瞬间，g_canuse还是1。
task_B执行①②时也会成功进入if语句，假设它执行到③，在printf打印完部分字符比如“abc”后又再次被切换为task_A。
task_A继续从上次被暂停的地方继续执行，即从步骤c那里继续执行，成功打印出“0123456789”。这时在串口上可以看到打印的结果为：“abc0123456789”。
从上面的例子可以看到，基于多任务系统编写程序时，访问公用的资源的时候要考虑“互斥操作”。任何一种多任务系统都会提供相应的函数。
同步操作
如果任务之间有依赖关系，比如任务A执行了某个操作之后，需要任务B进行后续的处理。如果代码如下编写的话，任务B大部分时间做的都是无用功：
// RTOS程序
int flag = 0;
03
void task_A()
{
while (1)
{
// 做某些复杂的事情
// 完成后把flag设置为1
flag = 1;
}
}
13
void task_B()
{
while (1)
{
if (flag)
{
// 做后续的操作
}
}
}
24
void main()
{
// 创建2个任务
create_task(task_A);
create_task(task_B);
// 启动调度器
start_scheduler();
}
上述代码中，在任务A没有设置flag为1之前，任务B的代码都只是去判断flag。而任务A、B的函数是依次轮流运行的，假设系统运行了100秒，其中任务A总共运行了50秒，任务B总共运行了50秒，任务A在努力处理复杂的运算，任务B仅仅是浪费CPU资源。
如果可以让任务B阻塞，即让任务B不参与调度，那么任务A就可以独占CPU资源加快处理复杂的事情。当任务A处理完事情后，再唤醒任务B。示例代码如下：
// RTOS程序
void task_A()
{
while (1)
{
// 做某些复杂的事情
// 释放信号量,会唤醒任务B;
}
}
10
void task_B()
{
while (1)
{
// 等待信号量, 会让任务B阻塞
// 做后续的操作
}
}
19
void main()
{
// 创建2个任务
create_task(task_A);
create_task(task_B);
// 启动调度器
start_scheduler();
}
第15行：任务B运行时，等待信号量，不成功时就会阻塞，不在参与任务调度。
第7行：任务A处理完复杂的事情后，释放信号量会唤醒任务B。
第16行：任务B被唤醒后，从这里继续运行。
在这个过程中，任务A处理复杂事情的时候可以独占CPU资源，加快处理速度。