009 RT-ThreadStudio 线程间通信-邮箱

前面一章讲了线程间同步，提到了信号量、互斥量、事件集等概念；本章接着上一章的内容，讲解线程间通信。在裸机编程中，经常会使用全局变量进行功能间的通信，如某些功能可能由于一些操作而改变全局变量的值，另一个功能对此全局变量进行读取，根据读取到的全局变量值执行相应的动作，达到通信协作的目的。RT-Thread 中则提供了更多的工具帮助在不同的线程中间传递信息，本章会详细介绍这些工具。学习完本章，大家将学会如何将邮箱用于线程间的通信。

邮箱

邮箱服务是实时操作系统中一种典型的线程间通信方法。举一个简单的例子，有两个线程，线程 1 检测按键状态并发送，线程 2 读取按键状态并根据按键的状态相应地改变 LED 的亮灭。这里就可以使用邮箱的方式进行通信，线程 1 将按键的状态作为邮件发送到邮箱，线程 2 在邮箱中读取邮件获得按键状态并对 LED 执行亮灭操作。

这里的线程 1 也可以扩展为多个线程。例如，共有三个线程，线程 1 检测并发送按键状态，线程 2 检测并发送 ADC 采样信息，线程 3 则根据接收的信息类型不同，执行不同的操作。

邮箱的工作机制

RT-Thread 操作系统的邮箱用于线程间通信，特点是开销比较低，效率较高。邮箱中的每一封邮件只能容纳固定的 4 字节内容（针对 32 位处理系统，指针的大小即为 4 个字节，所以一封邮件恰好能够容纳一个指针）。典型的邮箱也称作交换消息，如下图所示，线程或中断服务例程把一封 4 字节长度的邮件发送到邮箱中，而一个或多个线程可以从邮箱中接收这些邮件并进行处理。

非阻塞方式的邮件发送过程能够安全的应用于中断服务中，是线程、中断服务、定时器向线程发送消息的有效手段。通常来说，邮件收取过程可能是阻塞的，这取决于邮箱中是否有邮件，以及收取邮件时设置的超时时间。当邮箱中不存在邮件且超时时间不为 0 时，邮件收取过程将变成阻塞方式。在这类情况下，只能由线程进行邮件的收取。

当一个线程向邮箱发送邮件时，如果邮箱没满，将把邮件复制到邮箱中。如果邮箱已经满了，发送线程可以设置超时时间，选择等待挂起或直接返回 - RT_EFULL。如果发送线程选择挂起等待，那么当邮箱中的邮件被收取而空出空间来时，等待挂起的发送线程将被唤醒继续发送。

当一个线程从邮箱中接收邮件时，如果邮箱是空的，接收线程可以选择是否等待挂起直到收到新的邮件而唤醒，或可以设置超时时间。当达到设置的超时时间，邮箱依然未收到邮件时，这个选择超时等待的线程将被唤醒并返回 - RT_ETIMEOUT。如果邮箱中存在邮件，那么接收线程将复制邮箱中的 4 个字节邮件到接收缓存中。

邮箱控制块

在 RT-Thread 中，邮箱控制块是操作系统用于管理邮箱的一个数据结构，由结构体 struct rt_mailbox 表示。另外一种 C 表达方式 rt_mailbox_t，表示的是邮箱的句柄，在 C 语言中的实现是邮箱控制块的指针。邮箱控制块结构的详细定义请见以下代码：

struct rt_mailbox
{
    struct rt_ipc_object parent;

    rt_uint32_t* msg_pool;                /* 邮箱缓冲区的开始地址 */
    rt_uint16_t size;                     /* 邮箱缓冲区的大小     */

    rt_uint16_t entry;                    /* 邮箱中邮件的数目     */
    rt_uint16_t in_offset, out_offset;    /* 邮箱缓冲的进出指针   */
    rt_list_t suspend_sender_thread;      /* 发送线程的挂起等待队列 */
};
typedef struct rt_mailbox* rt_mailbox_t;

rt_mailbox 对象从 rt_ipc_object 中派生，由 IPC 容器所管理。

邮箱的管理方式

邮箱控制块是一个结构体，其中含有事件相关的重要参数，在邮箱的功能实现中起重要的作用。邮箱的相关接口如下图所示，对一个邮箱的操作包含：创建 / 初始化邮箱、发送邮件、接收邮件、删除 / 脱离邮箱。

创建和删除邮箱

动态创建一个邮箱对象可以调用如下的函数接口：

rt_mailbox_t rt_mb_create (const char* name, rt_size_t size, rt_uint8_t flag);

创建邮箱对象时会先从对象管理器中分配一个邮箱对象，然后给邮箱动态分配一块内存空间用来存放邮件，这块内存的大小等于邮件大小（4 字节）与邮箱容量的乘积，接着初始化接收邮件数目和发送邮件在邮箱中的偏移量。下表描述了该函数的输入参数与返回值

参数	描述
name	邮箱名称
size	邮箱容量
flag	邮箱标志，它可以取如下数值： RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO
返回	——
RT_NULL	创建失败
邮箱对象的句柄	创建成功

注：RT_IPC_FLAG_FIFO 属于非实时调度方式，除非应用程序非常在意先来后到，并且你清楚地明白所有涉及到该邮箱的线程都将会变为非实时线程，方可使用 RT_IPC_FLAG_FIFO，否则建议采用 RT_IPC_FLAG_PRIO，即确保线程的实时性。

当用 rt_mb_create() 创建的邮箱不再被使用时，应该删除它来释放相应的系统资源，一旦操作完成，邮箱将被永久性的删除。删除邮箱的函数接口如下：

rt_err_t rt_mb_delete (rt_mailbox_t mb);

删除邮箱时，如果有线程被挂起在该邮箱对象上，内核先唤醒挂起在该邮箱上的所有线程（线程返回值是 -RT_ERROR），然后再释放邮箱使用的内存，最后删除邮箱对象。下表描述了该函数的输入参数与返回值：

参数	描述
mb	邮箱对象的句柄
返回	——
RT_EOK	成功

初始化和脱离邮箱

初始化邮箱跟创建邮箱类似，只是初始化邮箱用于静态邮箱对象的初始化。与创建邮箱不同的是，静态邮箱对象的内存是在系统编译时由编译器分配的，一般放于读写数据段或未初始化数据段中，其余的初始化工作与创建邮箱时相同。函数接口如下：

  rt_err_t rt_mb_init(rt_mailbox_t mb,
                    const char* name,
                    void* msgpool,
                    rt_size_t size,
                    rt_uint8_t flag)

初始化邮箱时，该函数接口需要获得用户已经申请获得的邮箱对象控制块，缓冲区的指针，以及邮箱名称和邮箱容量（能够存储的邮件数）。下表描述了该函数的输入参数与返回值：

参数	描述
mb	邮箱对象的句柄
name	邮箱名称
msgpool	缓冲区指针
size	邮箱容量
flag	邮箱标志，它可以取如下数值： RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO
返回	——
RT_EOK	成功

这里的 size 参数指定的是邮箱的容量，即如果 msgpool 指向的缓冲区的字节数是 N，那么邮箱容量应该是 N/4。

脱离邮箱将把静态初始化的邮箱对象从内核对象管理器中脱离。脱离邮箱使用下面的接口：

rt_err_t rt_mb_detach(rt_mailbox_t mb);

使用该函数接口后，内核先唤醒所有挂在该邮箱上的线程（线程获得返回值是 - RT_ERROR），然后将该邮箱对象从内核对象管理器中脱离。下表描述了该函数的输入参数与返回值：

参数	描述
mb	邮箱对象的句柄
返回	——
RT_EOK	成功

发送邮件

线程或者中断服务程序可以通过邮箱给其他线程发送邮件，发送邮件函数接口如下：

rt_err_t rt_mb_send (rt_mailbox_t mb, rt_uint32_t value);

发送的邮件可以是 32 位任意格式的数据，一个整型值或者一个指向缓冲区的指针。当邮箱中的邮件已经满时，发送邮件的线程或者中断程序会收到 -RT_EFULL 的返回值。下表描述了该函数的输入参数与返回值：

参数	描述
mb	邮箱对象的句柄
value	邮件内容
返回	——
RT_EOK	发送成功
-RT_EFULL	邮箱已经满了

等待方式发送邮件

用户也可以通过如下的函数接口向指定邮箱发送邮件

rt_err_t rt_mb_send_wait (rt_mailbox_t mb,
                      rt_uint32_t value,
                      rt_int32_t timeout);

rt_mb_send_wait() 与 rt_mb_send() 的区别在于有等待时间，如果邮箱已经满了，那么发送线程将根据设定的 timeout 参数等待邮箱中因为收取邮件而空出空间。如果设置的超时时间到达依然没有空出空间，这时发送线程将被唤醒并返回错误码。下表描述了该函数的输入参数与返回值：

参数	描述
mb	邮箱对象的句柄
value	邮件内容
timeout	超时时间
返回	——
RT_EOK	发送成功
-RT_ETIMEOUT	超时
-RT_ERROR	失败，返回错误

发送紧急邮件

发送紧急邮件的过程与发送邮件几乎一样，唯一的不同是，当发送紧急邮件时，邮件被直接插队放入了邮件队首，这样，接收者就能够优先接收到紧急邮件，从而及时进行处理。发送紧急邮件的函数接口如下：

rt_err_t rt_mb_urgent (rt_mailbox_t mb, rt_ubase_t value);

下表描述了该函数的输入参数与返回值：

参数	描述
mb	邮箱对象的句柄
value	邮件内容
返回	——
RT_EOK	发送成功
-RT_EFULL	邮箱已满

接收邮件

只有当接收者接收的邮箱中有邮件时，接收者才能立即取到邮件并返回 RT_EOK 的返回值，否则接收线程会根据超时时间设置，或挂起在邮箱的等待线程队列上，或直接返回。接收邮件函数接口如下：

rt_err_t rt_mb_recv (rt_mailbox_t mb, rt_uint32_t* value, rt_int32_t timeout);

接收邮件时，接收者需指定接收邮件的邮箱句柄，并指定接收到的邮件存放位置以及最多能够等待的超时时间。如果接收时设定了超时，当指定的时间内依然未收到邮件时，将返回 - RT_ETIMEOUT。下表描述了该函数的输入参数与返回值：

参数	描述
mb	邮箱对象的句柄
value	邮件内容
timeout	超时时间
返回	——
RT_EOK	接收成功
-RT_ETIMEOUT	超时
-RT_ERROR	失败，返回错误

邮箱使用示例

这是一个邮箱的应用例程，初始化 2 个静态线程，一个静态的邮箱对象，其中一个线程往邮箱中发送邮件，一个线程往邮箱中收取邮件。如下代码所示：

#include <rtthread.h>

#define THREAD_PRIORITY      10
#define THREAD_TIMESLICE     5

/* 邮箱控制块 */
static struct rt_mailbox mb;
/* 用于放邮件的内存池 */
static char mb_pool[128];

static char mb_str1[] = "I'm a mail!";
static char mb_str2[] = "this is another mail!";
static char mb_str3[] = "over";

ALIGN(RT_ALIGN_SIZE)
static char thread1_stack[1024];
static struct rt_thread thread1;

/* 线程 1 入口 */
static void thread1_entry(void *parameter)
{
    char *str;

    while (1)
    {
        rt_kprintf("thread1: try to recv a mail\n");

        /* 从邮箱中收取邮件 */
        if (rt_mb_recv(&mb, (rt_uint32_t *)&str, RT_WAITING_FOREVER) == RT_EOK)
        {
            rt_kprintf("thread1: get a mail from mailbox, the content:%s\n", str);
            if (str == mb_str3)
                break;

            /* 延时 100ms */
            rt_thread_mdelay(100);
        }
    }
    /* 执行邮箱对象脱离 */
    rt_mb_detach(&mb);
}

ALIGN(RT_ALIGN_SIZE)
static char thread2_stack[1024];
static struct rt_thread thread2;

/* 线程 2 入口 */
static void thread2_entry(void *parameter)
{
    rt_uint8_t count;

    count = 0;
    while (count < 10)
    {
        count ++;
        if (count & 0x1)
        {
            /* 发送 mb_str1 地址到邮箱中 */
            rt_mb_send(&mb, (rt_uint32_t)&mb_str1);
        }
        else
        {
            /* 发送 mb_str2 地址到邮箱中 */
            rt_mb_send(&mb, (rt_uint32_t)&mb_str2);
        }

        /* 延时 200ms */
        rt_thread_mdelay(200);
    }

    /* 发送邮件告诉线程 1，线程 2 已经运行结束 */
    rt_mb_send(&mb, (rt_uint32_t)&mb_str3);
}

int mailbox_sample(void)
{
    rt_err_t result;

    /* 初始化一个 mailbox */
    result = rt_mb_init(&mb,
                        "mbt",                      /* 名称是 mbt */
                        &mb_pool[0],                /* 邮箱用到的内存池是 mb_pool */
                        sizeof(mb_pool) / 4,        /* 邮箱中的邮件数目，因为一封邮件占 4 字节 */
                        RT_IPC_FLAG_FIFO);          /* 采用 FIFO 方式进行线程等待 */
    if (result != RT_EOK)
    {
        rt_kprintf("init mailbox failed.\n");
        return -1;
    }

    rt_thread_init(&thread1,
                   "thread1",
                   thread1_entry,
                   RT_NULL,
                   &thread1_stack[0],
                   sizeof(thread1_stack),
                   THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
    rt_thread_startup(&thread1);

    rt_thread_init(&thread2,
                   "thread2",
                   thread2_entry,
                   RT_NULL,
                   &thread2_stack[0],
                   sizeof(thread2_stack),
                   THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
    rt_thread_startup(&thread2);
    return 0;
}

/* 导出到 msh 命令列表中 */
MSH_CMD_EXPORT(mailbox_sample, mailbox sample);

仿真运行结果如下：

 \ | /
- RT -     Thread Operating System
 / | \     3.1.0 build Aug 27 2018
 2006 - 2018 Copyright by rt-thread team
msh >mailbox_sample
thread1: try to recv a mail
thread1: get a mail from mailbox, the content:I'm a mail!
msh >thread1: try to recv a mail
thread1: get a mail from mailbox, the content:this is another mail!
…
thread1: try to recv a mail
thread1: get a mail from mailbox, the content:this is another mail!
thread1: try to recv a mail
thread1: get a mail from mailbox, the content:over

例程演示了邮箱的使用方法。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。

邮箱的使用场合

邮箱是一种简单的线程间消息传递方式，特点是开销比较低，效率较高。在 RT-Thread 操作系统的实现中能够一次传递一个 4 字节大小的邮件，并且邮箱具备一定的存储功能，能够缓存一定数量的邮件数 (邮件数由创建、初始化邮箱时指定的容量决定)。邮箱中一封邮件的最大长度是 4 字节，所以邮箱能够用于不超过 4 字节的消息传递。