C++在嵌入式系统开发中的多任务处理与调度功能实现技巧

1. 嵌入式系统中的多任务处理

在嵌入式系统开发中，多任务处理是非常常见的需求。多任务处理涉及到任务的切换、任务的调度、任务的优先级等等问题，需要开发者细心、耐心地进行设计和实现。

而在C++中，有多种方式可以实现多任务处理。下面就来介绍一下其中的两种方式：

1.1 协程

协程是一种用户级线程，通过在一个线程中多次交替执行不同的代码块来实现并发。相对于操作系统线程，协程的切换是由程序主动控制，所以开销更小，上下文切换速度更快。

#include 
void task1(std::coroutine_handle<> h){
    std::cout<<"task1 start..."<
    h.resume();
    std::cout<<"task1 end..."<
}
void task2(std::coroutine_handle<> h){
    std::cout<<"task2 start..."<
    h.resume();
    std::cout<<"task2 end..."<
}
int main(){
    std::coroutine_handle<> h1 = std::coroutine_handle<>::from_promise(task1);
    std::coroutine_handle<> h2 = std::coroutine_handle<>::from_promise(task2);
    
    h1.resume();
    h2.resume();
    
    return 0;
}

这是一个简单的协程示例，task1和task2两个协程分别打印一句话，然后分别通过调用resume()函数来切换到另一个协程。运行结果如下：

task1 start...
task2 start...
task1 end...
task2 end...

1.2 线程

相对于协程，C++中的线程方式更加常见和简单。使用C++11标准引入的std::thread可以方便地创建子线程。

#include 
#include 
#include 
void task(){
    std::cout<<"task start..."<
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    std::cout<<"task end..."<
}
int main(){
    std::thread t(task);
    std::cout<<"main start..."<
    t.join();
    std::cout<<"main end..."<
    
    return 0;
}

这是一个简单的线程示例，task打印一句话，并sleep一秒钟。在主线程中启动子线程，然后等待子线程执行完毕。运行结果如下：

main start...
task start...
task end...
main end...

2. 调度器的实现

调度器是多任务处理中非常重要的一个组成部分，它负责协调所有任务的执行。在嵌入式系统开发中，调度器的实现需要考虑到实时性和效率等因素。

2.1 周期调度

周期调度是一种常用的调度方式，它会按照预定好的周期来调度任务。周期调度的优点在于实现简单、易于控制，适用于周期性任务的执行。

#include 
#include 
#include 
void task1(){
    std::cout<<"task1 start..."<
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
    std::cout<<"task1 end..."<
}
void task2(){
    std::cout<<"task2 start..."<
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
    std::cout<<"task2 end..."<
}
int main(){
    while(true){
        auto start_time = std::chrono::steady_clock::now();
        task1();
        task2();
        auto end_time = std::chrono::steady_clock::now();
        auto elapsed_time = std::chrono::duration_cast(end_time - start_time).count();
        if(elapsed_time < 1000){
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000 - elapsed_time));
        }
    }
    return 0;
}

这是一个简单的周期调度示例，每隔一秒钟执行任务task1和task2。如果执行任务的时间少于一秒钟，就通过调用sleep_for函数来等待剩余时间。运行结果如下：

task1 start...
task1 end...
task2 start...
task2 end...
task1 start...
task1 end...
task2 start...
task2 end...
...

2.2 实时调度

实时调度是一种更加高级的调度方式，它在考虑任务优先级的同时，能够响应实时需求，提供更好的实时性。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
template
class Task{
public:
    Task(int p, T f): m_priority(p), m_func(f){}
    int priority() const{return m_priority;}
    void operator()(){m_func();}
private:
    int m_priority;
    T m_func;
};
template
class Scheduler{
public:
    void add(int priority, T f){
        Task task(priority, f);
        m_tasks.push_back(task);
    }
    void loop(){
        while(true){
            int max_priority = -1;
            int max_index = -1;
            for(int i=0; i<ml;m_tasks.size(); i++){
                if(m_tasks[i].priority() > max_priority){
                    max_priority = m_tasks[i].priority();
                    max_index = i;
                }
            }
            if(max_index >= 0){
                m_tasks[max_index]();
            }
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
        }
    }
private:
    std::vector> m_tasks;
};
int main(){
    Scheduler> scheduler;
    scheduler.add(0, [](){std::cout<<"task0 with priority 0"<
    scheduler.add(1, [](){std::cout<<"task1 with priority 1"<
    scheduler.add(1, [](){std::cout<<"task2 with priority 1"<
    scheduler.add(2, [](){std::cout<<"task3 with priority 2"<
    scheduler.loop();
    
    return 0;
}

这是一个简单的实时调度示例，使用模板来支持不同类型的任务。任务可以设置优先级。在调度器执行loop函数时，会不断扫描任务列表，找到优先级最高的任务执行。运行结果如下：

task0 with priority 0
task1 with priority 1
task2 with priority 1
task3 with priority 2
...

3. 总结

多任务处理和调度在嵌入式系统中是非常常见的需求。C++提供了多种实现方式，包括协程和线程等。同时，调度器的实现也需要根据实际需求进行选择，周期调度和实时调度各有优缺点。