Contiki 中的 Protothread 实现 OS -- 为什么状态变量不是静态的？

Question

我正在阅读 Contiki OS 中原线程实现的源代码，它是由瑞典 SICS 的 Adam Dunkels 开发的。我真的很困惑，它的实现与 Simon Tatham -- that is, why the state variable has not to be static in Adam's protothread 实现在 Simon 的论文中声明为 static 时所展示的协同例程想法之间存在细微差别？

我们先来仔细看看Simon的讨论。例如，如果能够编写一个函数

int function(void) {
   int i;
   for(i=0; i<10; i++)
       return i; //actually won't work in C
}

并连续十次调用函数 return 数字 0 到 9。

这可以通过在此函数中使用以下宏来实现：

#define crBegin static int state=0; switch(state) { case 0:
#define crReturn(i,x) do { state=__LINE__; return x; \
case __LINE__:; } while (0)
#define crFinish }
int function(void) {
    static int i;
    crBegin;
    for (i = 0; i < 10; i++)
        crReturn(1, i);
    crFinish;
}

如预期的那样，调用此函数十次将得到 0 到 9。

不幸的是，如果我们像这样使用 Adam 的局部延续宏包装 switch-case（Contiki src 树中的 /core/sys/lc-switch.h），这将不起作用，即使您将状态变量设置为静态:

typedef unsigned short lc_t;
#define LC_INIT(s) s = 0; // the ";" must be a mistake...
#define LC_RESUME(s) switch(s) { case 0:
#define LC_SET(s) s = __LINE__; case __LINE__:
#define LC_END(s) }
int function(void) {
    static int i;
    lc_t s;
    LC_INIT(s);
    LC_RESUME(s);
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {    return i;
         LC_SET(s);
    }
    LC_END(s);
}

在这里，就像 Simon 的例子一样，s 作为状态变量工作，它保留由 LC_SET(s) 设置的位置（屈服点）。当函数稍后恢复执行时（从头开始），它将根据 s 的值进行切换。此行为产生的效果是函数在上一次调用设置的屈服位置后继续运行。

这两组宏的区别是：

状态变量 s 在 Simon 的示例中是静态的，但在 Adam 的 LC 定义中是非静态的；
crReturn 在它 returns 结果之前设置状态，而在 Adam 的 LC 定义中，LC_SET(s) 纯粹设置状态并标记屈服点。

当然后者不会在函数中使用这个for循环的情况。此 "return and continue" 行为的关键在于状态变量是静态的，并且状态设置在 return 语句之前。显然，LC 宏不满足这两个要求。那么为什么LC宏要这样设计呢？

我现在可以推测的是，这些 LC 宏只是非常低级的原语，不应该以这个 for 循环示例中所示的方式使用。我们需要进一步构建包含这些 LC 原语的 PT 宏，使它们真正有用。并且 crReturn 宏仅用于演示目的，专门适合 for 循环情况，因为并非每次您都想通过 return 从函数中产生执行。

Answer 1

正如您猜对的那样，所有应该在协程 return 之间保存其值的函数局部变量应该是静态的，此外， lc_t 类型的变量描述了协程的当前状态也应该是静态的。要修复您的示例，请在 s.

声明前添加 static

另一件事是你想要return一个值。 Contiki protothreads 不支持 returning 任意值；它们只是描述线程是否仍处于活动状态或已经完成的代码（PT_WAITING、PT_YIELDED、PT_EXITED 和 PT_ENDED 状态）。

但是，您可以使用 LC_xxx 宏轻松完成这项工作；你还需要一个标志（这个想法与 PT_YIELD() 中的相同）：

int function(void) {
    static int i;
    static lc_t s;
    int flag = 0; // not static!
    LC_INIT(s);
    LC_RESUME(s);
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        flag = 1;
        LC_SET(s);
        if (flag) { /* don't return if came to this point straight from the invocation of the coroutine `function` */
          return i;
        }
    }
    LC_END(s);
}

Contiki protothread 库使用这些 LC_xxx 宏来实现 PT_xxx 宏，这些宏又用于创建对已处理的应用程序级别的支持（PROCESS_xxx 宏）。

lc_t状态变量实际上与原线程的状态相同：在https://github.com/contiki-os/contiki/blob/master/core/sys/pt.h中，pt结构简单定义为：

struct pt {
  lc_t lc;
};

pt 结构又作为成员包含在 process 结构中（参见 https://github.com/contiki-os/contiki/blob/master/core/sys/process.h）。 Contiki 中的进程结构是全局变量，因此原线程状态存储在原线程协程的不同调用中。

大多数协程局部变量也需要是静态的这一事实通常（在研究论文中）被描述为该编程模型的主要限制之一，但在实践中这并不是什么大问题。

Answer 2

状态变量确实需要位于静态分配的内存中，其中包括您链接到的 Dunkel 示例中的全局变量。如果它是一个自动变量（在堆栈上，而不是静态的），它的值将从函数的一次调用到下一次调用丢失，除了在最普通的程序中。

当使用 lc-switch 实现时，您可以将 Tatham 的 crReturn() 修改为 LC_SET_AND_RETURN() 宏，为 return 添加能力，如下所示，用于需要的功能return 一个值，然后为 void 函数调用 LC_SET(s); return;。

#include "lc.h"
#define LC_SET_AND_RETURN(lc, retval) do { lc = __LINE__ ; return retval; case __LINE__: } while (0)

int function(void) {
    static int i;
    static lc_t s;
    LC_RESUME(s);
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        LC_SET_AND_RETURN(s, i);
    }
    return -1; // done
    LC_END(s);
}

LC_INIT() 看起来就像 LC_INIT(static lc_t s); 一样被调用。代码

static lc_t s;
LC_INIT(s);

扩展到

static lc_t s;
s = 0;;

这不等同于 static lc_t s = 0;，并导致代码以意想不到的方式运行。

您可以使用 static lc_t LC_INIT(s); 扩展到 static lc_t s = 0;;，但这看起来很有趣。

Contiki 中的 Protothread 实现 OS -- 为什么状态变量不是静态的？

Protothread implementation in Contiki OS -- why the state variable is not static?

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