Contiki 进程剖析 hello_world_process

摘要：

    本文剖析Contiki最简单的实例hello_world，深入源码分析，详解了本实例用到的各个宏，进而给出一份完整展开的代码。最后把本实例用到的宏总结成API，并给出了创建一个进程的模型。

一、Hello World概览

hello_world.c用于向串口打印"Hello World"，源代码如下，

//filename：hello_world.c

#include "contiki.h"
#include "debug-uart.h" /* For usart_puts()*/
#include <stdio.h> /* For printf() */

PROCESS(hello_world_process, "Hello world"); /*参照二*/
AUTOSTART_PROCESSES(&hello_world_process); /*参照三*/

/*Define the process code*/
PROCESS_THREAD(hello_world_process, ev, data) /*参见四*/
{
    PROCESS_BEGIN(); /*参照5.1*/

    usart_puts("Hello, world!\n"); /*向串口打印字符串"Hello,world"*/

    PROCESS_END(); /*参考5.2*/
}

二、PROCESS宏

PROCESS宏完成两个功能：

(1) 声明一个函数，该函数是进程的执行体，即进程的thread函数指针所指的函数

(2) 定义一个进程结构体

源码展开如下：

//PROCESS(hello_world_process, "Hello world");

#define PROCESS(name, strname) PROCESS_THREAD(name, ev, data); \
struct process name = { NULL, strname, process_thread_##name }

对应参数展开为：

#define PROCESS((hello_world_process, "Hello world")

PROCESS_THREAD(hello_world_process, ev, data); \   /*分析见2.1*/

struct process hello_world_process = { NULL, "Hello world", process_thread_hello_world_process }; /*分析见2.2*/

2.1 PROCESS_THREAD宏

PROCESS_THREAD宏用于定义进程的执行主体，宏展开如下

#define PROCESS_THREAD(name, ev, data) \
static PT_THREAD(process_thread_##name(struct pt *process_pt, process_event_t ev, process_data_t data))

对应参数展开为：

//PROCESS_THREAD(hello_world_process, ev, data);

static PT_THREAD(process_thread_hello_world_process(struct pt *process_pt, process_event_t ev, process_data_t data));  /*分析见2.1.1*/

2.1.1 PT_THREAD宏

PT_THREAD宏用于声明一个protothread，即进程的执行主体，宏展开如下：

#define PT_THREAD(name_args) char name_args

展开之后即为：

//static PT_THREAD(process_thread_hello_world_process(struct pt *process_pt, process_event_t ev, process_data_t data));

static char process_thread_hello_world_process(struct pt *process_pt, process_event_t ev, process_data_t data);

    这下就很清楚了，声明一个静态的函数process_thread_hello_world_process，返回值是char类型。

另，struct pt *process_pt可以直接理解成lc，用于保存当前被中断的地方(保存程序断点)，以便下次恢复执行。

2.2 定义一个进程

PROCESS宏展开的第二句，定义一个进程hello_world_process，源码如下：

struct process hello_world_process = { NULL, "Hello world", process_thread_hello_world_process };

结构体process定义如下:

struct process
{
    struct process *next;
    const char *name;   /*此处略作简化，源代码包含了预编译#if。即可以通过配置，使得进程名称可有可无*/
    PT_THREAD((* thread)(struct pt *, process_event_t, process_data_t));
    struct pt pt;
    unsigned char state, needspoll;
};

    可见进程hello_world_process 的lc、state、needspoll都默认置为0。关于process结构体请参见博文 Contiki 进程结构体 process 。

三、AUTOSTART_PROCESSES宏

    AUTOSTART_PROCESSES宏实际上是定义一个指针数组，存放Contiki系统运行时需自动启动的进程，宏展开如下：

//AUTOSTART_PROCESSES(&hello_world_process);

#define AUTOSTART_PROCESSES(...) \ struct process * const autostart_processes[] = {__VA_ARGS__, NULL}

    这里用到C99 支持可变参数宏的特性，如：#define debug(…) printf(__VA_ARGS__) ，缺省号代表一个可以变化的参数表，宏展开时，实际的参数就传递给 printf()了。例：debug("Y = %d\n", y); 被替换成printf("Y = %d\n", y); 。那么，AUTOSTART_PROCESSES(&hello_world_process); 实际上被替换成：

struct process * const autostart_processes[] = {&hello_world_process, NULL};

    这样就知道如何让多个进程自启动了，直接在宏AUTOSTART_PROCESSES()加入需自启动的进程地址，比如让hello_process和world_process这两个进程自启动，如下：

AUTOSTART_PROCESSES(&hello_process，&world_process，NULL);

    最后一个进程指针设成NULL，则是一种编程技巧，设置一个哨兵(提高算法效率的一个手段)，以提高遍历整个数组的效率。

四、PROCESS_THREAD宏

    PROCESS(hello_world_process, "Hello world"); 展开成两句，其中有一句是也是PROCESS_THREAD(hello_world_process, ev, data) ;。这里要注意到分号，是一个函数声明。而这PROCESS_THREAD(hello_world_process, ev, data)没有分号，而是紧跟着"{}"，是上述声明函数的实现。关于PROCESS_THREAD宏的分析，最后展开如下，展开过程参见上述2.1。

static char process_thread_hello_world_process(struct pt *process_pt, process_event_t ev, process_data_t data);

温馨提示：在阅读Contiki源码，手动展开宏时，要特别注意分号。

五、PROCESS_BEGIN宏和PROCESS_END宏

    原则上，所有代码都得放在PROCESS_BEGIN宏和PROCESS_END宏之间(如果程序全部使用静态局部变量，这样做总是对的。倘若使用局部变量，情况就比较复杂了，当然，不建议这样做)，看完下面宏展开，就知道为什么了。

5.1 PROCESS_BEGIN宏

PROCESS_BEGIN宏一步步展开如下：

#define PROCESS_BEGIN() PT_BEGIN(process_pt)

    process_pt是struct pt*类型，在函数头传递过来的参数(见四)，直接理解成lc，用于保存当前被中断的地方，以便下次恢复执行。继续展开：

#define PT_BEGIN(pt) { char PT_YIELD_FLAG = 1; LC_RESUME((pt)->lc)

#define LC_RESUME(s) switch(s) { case 0:

把参数替换，结果如下：

{

    char PT_YIELD_FLAG = 1; /*将PT_YIELD_FLAG置1，类似于关中断？？？*/

    switch(process_pt->lc) /*程序根据lc的值进行跳转，lc用于保存程序断点*/

    {

        case 0: /*第一次执行从这里开始，可以放一些初始化的东东*/

            ;

    很奇怪是吧，PROCESS_BEGIN宏展开都不是完整的语句，别急，看完下面的PROCESS_END就知道Contiki这些天才们是怎么设计的。

5.2 PROCESS_END宏

PROCESS_END宏一步步展开如下：

#define PROCESS_END() PT_END(process_pt)

#define PT_END(pt) LC_END((pt)->lc); PT_YIELD_FLAG = 0; \ PT_INIT(pt); return PT_ENDED; }


#define LC_END(s) }

#define PT_INIT(pt) LC_INIT((pt)->lc)
#define LC_INIT(s) s = 0;

#define PT_ENDED 3

整理下，实际上如下代码：

    }
    PT_YIELD_FLAG = 0;

    (process_pt)->lc = 0;

    return 3;
}

好了，现在回过头来看，PROCESS_BEGIN宏和PROCESS_END宏是如此的般配，天生一对呀，祝福他们:-)

六、总结

6.1 宏全部展开

根据上述的分析，该实例全部展开的代码如下，再浏览下，是不是有种神清气爽的感觉:-)

#include "contiki.h"
#include "debug-uart.h" /* For usart_puts()*/
#include <stdio.h> /* For printf() */

static char process_thread_hello_world_process(struct pt *process_pt, process_event_t ev, process_data_t data);

struct process hello_world_process = { ((void *)0), "Hello world process", process_thread_hello_world_process};
struct process * const autostart_processes[] = {&hello_world_process, ((void *)0)};

char process_thread_hello_world_process(struct pt *process_pt, process_event_t ev, process_data_t data)
{
    {
        char PT_YIELD_FLAG = 1;
        switch((process_pt)->lc)
        {
            case 0:
                ;

                usart_puts("Hello, world!\n");

        };
     }
     PT_YIELD_FLAG = 0;
     (process_pt)->lc = 0;;
     return 3;
}

6.2 宏总结

对本实例用到的宏总结如上，以后就直接把宏当API用了。

PROCESS(name, strname)

声明进程 name的主体函数process_thread_##name(进程的thread函数指针所指的函数)，并定义一个进程name

AUTOSTART_PROCESSES(...)

定义一个进程指针数组 autostart_processes

PROCESS_THREAD(name, ev, data)

进程name的定义或声明，取决于宏后面是";"还是"{}"

PROCESS_BEGIN()

进程的主体函数从这里开始

PROCESS_END()

进程的主体函数从这里结束

6.3 编程模型

    这实例虽说很简单，但却给出了定义一个进程的模型(还以Hello world为例)，实际编程过程中，只需要将usart_puts("Hello, world!\n"); 换成自己需要实现的代码。

//假设进程名称为Hello world
#include "contiki.h"
#include <stdio.h> /* For printf() */

PROCESS(hello_world_process, "Hello world"); //PROCESS(name, strname)
AUTOSTART_PROCESSES(&hello_world_process); //AUTOSTART_PROCESS(...)

/*Define the process code*/
PROCESS_THREAD(hello_world_process, ev, data) //PROCESS_THREAD(name, ev, data)
{
    PROCESS_BEGIN();

    /***这里填入你的代码***/

    PROCESS_END();
}

    注：声明变量最好不要放在PROCESS_BEGIN之前，因为进程再次被调度，总是从头开始执行，直到PROCESS_BEGIN宏中的switch判断才跳转到断点case __LINE__。也就是说，进程被调度总是会执行PROCESS_BEGIN之前的代码。
        protothread 的切换是在调用此函数时实现的。A protothread runs within a single C function and cannot span over other functions.A protothread may call normal C functions, but cannot block inside a called function.(contiki-2.6/doc/pt-doc.txt)