FreeRTOS列表和列表项

~Old2023-11-23 12:33

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列表和列表项

关于列表的一些操作

初始化列表

初始化列表项

列表插入列表项

列表项末尾插入

重点

pxIndex指向的是什么

xItemValue存的是什么

vListInsertEnd()的插入位置

List的头尾在哪里？

通用链表的三种实现方式

方法一

方法二

方法三

总结

FreeRTOS内核调度使用了大量的列表（list）和列表项（listitem）数据结构。它的源码中涉及到很多列表的操作，对于FreeRTOS来说，列表就是它最基础的一部分，列表被用作FreeRTOS调度器使用，用于跟踪任务，处于就绪，挂起，延时的任务都会被挂接到各自的列表中，用户程序如果有需要，也可以使用列表，其中就连FreeRTOS的任务调度其实核心也涉及到列表。

FreeRTOS列表使用指针指向列表项。一个列表（list）下面可能有很多个列表项（list item），每个列表项都有一个指针指向列表。如图所示

列表和列表项

列表项有两种形式，全功能版的列表项xLIST_ITEM和迷你版的列表项xMINI_LIST_ITEM。我们来看一下它们具体的定义，先看全功能版。

struct xLIST_ITEM
{
     listFIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE           /*用于检测列表项数据是否完整*/
     configLIST_VOLATILE TickType_t xItemValue;           /*列表项值*/
     struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxNext;      /*指向列表中下一个列表项*/
     struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxPrevious;  /*指向列表中上一个列表项*/
     void * pvOwner;                                     /*指向一个任务TCB*/
     void * configLIST_VOLATILE pvContainer;             /*指向包含该列表项的列表 */
     listSECOND_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE          /*用于检测列表项数据是否完整*/
};
typedef struct xLIST_ITEM ListItem_t;

宏listFIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE和listSECOND_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE用于检查列表项数据是否完整，在projdefs.h中，如果将宏configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES设置为1，则使能列表项数据完整性检查，则宏listFIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE和listSECOND_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE会被两个已知的数值代替。

xItemValue是列表项值，通常是一个被跟踪的任务优先级或是一个调度事件的计数器值。如果任务因为等待从队列取数据而进入阻塞状态，则任务的事件列表项的列表项值保存任务优先级有关信息，状态列表项的列表项值保存阻塞时间有关的信息。这个变量被configLIST_VOLATILE修饰，configLIST_VOLATILE被映射成C语言关键字volatile，表明这个变量是"易变的"，告诉编译器不得对这个变量进行代码优化，因为列表项的成员可能会在中断服务程序中被更新。

pxNext和pxPrevious是列表项类型指针，用来指向列表中下一个和上一个列表项，通过这两个指针，列表项之间可以形成类似双向链表结构。

指针pvOwner通常指向一个任务TCB。

指针pvContainer指向包含该列表项的列表。

迷你版的列表项xMINI_LIST_ITEM是全功能版列表项xLIST_ITEM的一个子集，定义如下所示：

cpp 复制代码 
struct xMINI_LIST_ITEM
{
     listFIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE           /*用于检测列表项数据是否完整*/
     configLIST_VOLATILE TickType_t xItemValue;
     struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxNext;
     struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxPrevious;
};
typedef struct xMINI_LIST_ITEM MiniListItem_t;

既然有了全功能版的列表项，为什么还要声明迷你版的列表项呢？这是因为列表结构体需要一个列表项成员，但又不需要列表项中的所有字段，所以才有了迷你版列表项。迷你列表项起到的主要作用就是标识列表的末尾，所以它的值也设置成了最大值，列表结构体定义为：

cpp 复制代码 
typedef struct xLIST
{
     listFIRST_LIST_INTEGRITY_CHECK_VALUE                        /*用于检测列表项数据是否完整*/
     configLIST_VOLATILE UBaseType_t uxNumberOfItems;
     ListItem_t * configLIST_VOLATILE pxIndex;                   /*用于遍历列表*/
     MiniListItem_t xListEnd;                                    /*列表项*/
     listSECOND_LIST_INTEGRITY_CHECK_VALUE                       /*用于检测列表项数据是否完整*/
}List_t;

和列表项定义相同，宏listFIRST_LIST_INTEGRITY_CHECK_VALUE和listSECOND_LIST_INTEGRITY_CHECK_VALUE用于检查列表项数据是否完整，在projdefs.h中，如果将宏configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES设置为1，则使能列表项数据完整性检查，则宏listFIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE和listSECOND_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE会被两个已知的数值代替。

uxNumberOfItems表示该列表中挂接的列表项数目，0表示列表为空。

列表项类型指针用于遍历列表，列表初始化后，这个指针指向&xListEnd。通过宏listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY()来获取列表中的下一个列表项。

列表项xListEnd用于标记列表结束。xListEnd.xItemValue被初始化为一个常数，其值与硬件架构相关，为0xFFFF（16位架构）或者0xFFFFFFFF（32位架构）。

关于列表的一些操作

初始化列表

列表结构体中包含一个列表项成员，主要用于标记列表结束。初始化列表就是把这个列表项插入到列表中。

cpp 复制代码 
void vListInitialise( List_t * const pxList )
{
     /*列表索引指向列表项*/
     pxList->pxIndex = ( ListItem_t * )&( pxList->xListEnd );                  
     /* 设置为最大可能值 */
     pxList->xListEnd.xItemValue =portMAX_DELAY;
 
     /* 列表项xListEnd的pxNext和pxPrevious指针指向了它自己 */
     pxList->xListEnd.pxNext = (ListItem_t * ) &( pxList->xListEnd );
     pxList->xListEnd.pxPrevious= ( ListItem_t * ) &( pxList->xListEnd );
     pxList->uxNumberOfItems = ( UBaseType_t) 0U;
 
     /* 设置为已知值，用于检测列表数据是否完整*/
     listSET_LIST_INTEGRITY_CHECK_1_VALUE(pxList );
     listSET_LIST_INTEGRITY_CHECK_2_VALUE(pxList );
}

如果宏configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES设置为1，则使能列表项数据完整性检查，则宏listSET_LIST_INTEGRITY_CHECK_1_VALUE()和listSET_LIST_INTEGRITY_CHECK_2_VALUE被一个已知值代替，默认为0x5a5a（16位架构）或者0x5a5a5a5a（32位架构）。

假设禁止列表数据完整性检查，初始化后的列表如图1-2所示，uxNumberOfItems被初始化为0，xListEnd.xItemValue初始化为0xffffffff，pxIndex、xListEnd.pxNext和xListEnd.pxPrevious初始化为指向列表项xListEnd。

初始化列表项

列表项的初始化很简答， 只需要声明该列表项不属于任何一个列表就可以了。

cpp 复制代码 
void vListInitialiseItem( ListItem_t * const pxItem )
{
     pxItem->pvContainer = NULL;
 
     /*设置为已知值，用于检测列表项数据是否完整*/
     listSET_FIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE(pxItem );
     listSET_SECOND_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE(pxItem );
}

如果宏configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES设置为1，则使能列表项数据完整性检查，则宏listFIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE和listSECOND_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE会被两个已知的数值代替，默认为0x5a5a（16位架构）或者0x5a5a5a5a（32位架构）。

假设禁止列表项数据完整性检查，初始化后的列表项如图1-3所示。仅是将指针pvContainer设置为空指针，该指针用于指向包含该列表项的列表，这里设置为NULL表示这个列表项不属于任何列表。

列表插入列表项

每个列表项对象都有一个列表项值（xItemValue），通常是一个被跟踪的任务优先级或是一个调度事件的计数器值。调用API函数vListInsert( List_t * const pxList, ListItem_t * const pxNewListItem)可以将pxNewListItem指向的列表项插入到pxList指向的列表中，列表项在列表的位置由pxNewListItem->xItemValue决定，按照升序排列。

cpp 复制代码 
void vListInsert( List_t * const pxList, ListItem_t * const pxNewListItem )
{
ListItem_t *pxIterator;
const TickType_t xValueOfInsertion = pxNewListItem->xItemValue;
 
         /* 检查列表和列表项数据的完整性，仅当configASSERT()定义时有效。*/
         listTEST_LIST_INTEGRITY( pxList );
         listTEST_LIST_ITEM_INTEGRITY(pxNewListItem );
 
         /*将新的列表项插入到列表，根据xItemValue的值升序插入列表。*/
         if( xValueOfInsertion == portMAX_DELAY)
         {
                   pxIterator =pxList->xListEnd.pxPrevious;
         }
         else
         {
                   for( pxIterator = (ListItem_t * ) &( pxList->xListEnd );pxIterator->pxNext->xItemValue <= xValueOfInsertion; pxIterator =pxIterator->pxNext )
                   {
                            /* 这里为空 */
                   }
         }
 
         pxNewListItem->pxNext =pxIterator->pxNext;
         pxNewListItem->pxNext->pxPrevious= pxNewListItem;
         pxNewListItem->pxPrevious =pxIterator;
         pxIterator->pxNext = pxNewListItem;
 
         pxNewListItem->pvContainer = ( void* ) pxList;
 
         ( pxList->uxNumberOfItems )++;
}

列表项末尾插入

cpp 复制代码 
void vListInsertEnd( List_t * const pxList, ListItem_t * const pxNewListItem )
{
ListItem_t* const pxIndex = pxList->pxIndex;
 
         /*检查列表和列表项数据的完整性，仅当configASSERT()定义时有效。*/
         listTEST_LIST_INTEGRITY( pxList );
         listTEST_LIST_ITEM_INTEGRITY(pxNewListItem );
 
         /*向列表中插入新的列表项*/
         pxNewListItem->pxNext = pxIndex;
         pxNewListItem->pxPrevious =pxIndex->pxPrevious;
 
         mtCOVERAGE_TEST_DELAY();
 
         pxIndex->pxPrevious->pxNext =pxNewListItem;
         pxIndex->pxPrevious = pxNewListItem;
 
         pxNewListItem->pvContainer = ( void* ) pxList;
 
         ( pxList->uxNumberOfItems )++;
}

重点

pxIndex指向的是什么

重点：一开始学习的时候，一直不明白这个pxIndex有什么用，因为我在有关列表的list.c中的API函数中根本没发现有改变它的代码，以为它一直是初始化的值，就是一直指向迷你列表项，其实不然，作为一名程序员，一切从源码中得到答案。

搜索代码之后发现，中间对pxIndex赋值的地方只有listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY这个接口（list.h中的一个有参宏）

每调用一次listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY，列表的pxIndex会指向下一个列表项。

而调用listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY，主要是一下的一些函数接口：

xItemValue存的是什么

列表项值，都是通过listSET_LIST_ITEM_VALUE这个宏来赋值的。

#define listSET_LIST_ITEM_VALUE( pxListItem, xValue )	( ( pxListItem )->xItemValue = ( xValue ) )

搜了一下，主要赋值了两类值

  • 优先级

    listSET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxTCB->xEventListItem ), ( TickType_t ) configMAX_PRIORITIES - ( TickType_t ) uxPriorityToUse ); /*lint !e961 MISRA exception as the casts are only redundant for some ports. */

可以看到和我们之前说的，设置优先级是在任务的事件列表项中。

  • 醒来时间（对于状态列表）

    listSET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxCurrentTCB->xStateListItem ), xTimeToWake );

同理，和之前说的一样，对于任务的阻塞时间，在任务的状态列表项中设置列表项的值。

vListInsertEnd()的插入位置

Tips: 这个函数是最容易造成误解的一个函数，字面理解，在我开始学的时候我以为就是插入到最后一个迷你列表项的前面，所谓末尾插入肯定是最后一项嘛，阅读源码之后，其实不然，因为列表中有一项成员

cpp 复制代码 
     ListItem_t * configLIST_VOLATILE pxIndex;

该成员主要作用就是用来遍历列表的。阅读源码发现它是插入在pxIndex所指的列表项的前面。这里体现了FreeRTOS的哲学理念，"公平" ，如果pxIndex，指向的是当前的索引的列表项表示正在使用，这时比如顺序是1->2->3，现在pxIndex指向2，要插入4，这时你4肯定是要最后遍历访问的，意味着就是访问顺序应该是2->3->1->4，所以它要插入在2前面，我的方法是记住一个口诀，末尾插入就是插入pxIndex所指列表项的前一项的后面，可能听着有点别扭（不就是所指列表项的前面嘛🤣 ，细细体会，有公平的哲学思想）

List的头尾在哪里？

结尾是xListEnd吗？

这个是初始化时候的结尾，名字也是结尾。

但是vListInsertEnd又不是根据xListEnd来定的，是插在pxIndex前面的，那有的认为pxIndex就是开头，查了一些资料，头尾好像没有怎么分，但是第二种认可度更高，因为末尾插入是这么用的。

通用链表的三种实现方式

针对不同的列表项，如果不采用通用的链表处理，就需要实现不同链表的操作函数，实现通用链表有三种实现方式：

方法一

这样node节点直接就是它的开头，如果你要根据比如dog的age进行排序，直接可以通过node指针把它转成列表项指针就可以访问到它的age属性。

方法二

这里就要根据node在结构体里的地址，转成列表项的指针进而访问到它的属性，进行排序操作等。这时要计算node在结构体的偏移，可以采用如下方式，结构体地址为0，直接看node的地址。

Linux和RT-Thread采用这种实现通用链表 🤣 。

方法三

直接通过container指针就可以知道它属于那种列表项，进而可以访问到其它属性。

FreeRTOS采用这种方式实现通用链表🤣，它里面的pvOwner，就是我们上面说的方法三的Container的概念 。

总结

FreeRTOS的列表和列表项采用了一种通用的列表管理，不像我以前学的数据结构中的链表操作一样，其中的节点都是具体的结构体的内容，所以是针对具体的一类结构体，比如struct people，这样导致的后果就是所有有关链表操作的内容都是针对这类结构体，如果稍微改成struct dog，这样就需要全部重写链表的所有操作了。FreeRTOS采用一种方法，写出了通用的链表操作，让我不得不感叹这代码确实是写的好！🤣

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