メッセージバッファ、メールボックス

メッセージの送受信による同期

第3回では、タスク間での同期として「イベントフラグ」、「セマフォ」について説明しました。

イベントフラグおよびセマフォは、複数タスクで連携して処理を実行する場合や、排他制御する場合には非常に便利な機能です。 しかし、タスク間の同期だけでなく、同時に情報を通知したいことがあります。例えば、あるタスクで処理した結果を基に別のタスクで処理したいとか、共有メモリを介さずにタスク間でデータ(T-Kernelでは「メッセージ」と呼びます)の送受信をしたいとか、開発するシステムによっていろいろな組み合わせが考えられます。

このような複数タスク間でデータを送受信することを「通信」と呼びます。また、同時に「同期」も行うために、「同期・通信」と呼ばれます。T-Kernelには以降で説明するメッセージバッファやメールボックス機能などが用意されていますので、必要に応じて最適な同期機能を利用することで、効率の良いプログラムを開発できるようになっています。

図1

【メッセージの送受信による同期・通信機能】

メッセージバッファ(message buffer)

T-Kernelでは、メッセージの送受信ができる機能を複数用意していますが、その一つとしてメッセージバッファがあります。メッセージバッファは、可変長のメッセージを送受信することのできる同期・通信機能の一つです。

送信側はメッセージを送受信のためのメッセージバッファ領域に格納し、受信する側はメッセージバッファ領域からメッセージを一つ取り出すことで同期・通信を実現しています。

メッセージバッファにメッセージが格納されていない場合にメッセージを受信しようとすると、受信待ち状態になります。一方で、メッセージバッファ領域に十分な空き領域がない場合にメッセージを送信しようとすると、送信待ち状態になります。

リスト1は「タスクAの処理は、タスクBで実行する処理 doWorkB()の結果を受け取り、その結果を doWorkA()で利用する」ようにメッセージバッファを利用してプログラミングした例です(*1)。

  • (*1)doWorkAやdoWorkBでは、各タスク用の処理を行うものとし、必要に応じて待ちを発生することがあるものとします。各タスクではdoWorkAやdoWorkB以外にもさまざまな処理を行うと思いますが、リストでは簡単にするために省略してあります。

【リスト1:メッセージバッファを利用してプログラミングした例】

								#include <basic.h>
								#include <tk/tkernel.h>
								#include <tm/tmonitor.h>

								IMPORT	void	doWorkA( W );
								IMPORT	W		doWorkB( void );


								ID		mbfid;

								void	taskA( INT stacd, VP exinf )
								{
										INT		 msgsz;
										W		 rcv_msg;

										while(1){
												 msgsz = tk_rcv_mbf( mbfid, &rcv_msg, TMO_FEVR );
												 /* doWorkB() の処理完了を待ち、その処理結果を受信する		 */
												 if( msgsz > 0 ) {
														  doWorkA( rcv_msg );	 /* 受信した結果を利用	 */
												 }
										}
										tk_ext_tsk();
								}

								void	taskB( INT stacd, VP exinf )
								{
										W		 snd_msg;

										while(1){
												 snd_msg = doWorkB();	/* doWorkA() の前に行うべき処理 */
												 tk_snd_mbf( mbfid, &snd_msg, sizeof(snd_msg), TMO_FEVR );
												 /* doWorkB() の処理結果をタスクAに通知する				 */
										}
										tk_ext_tsk();
								}

								EXPORT	INT		usermain( void )		/* 初期タスクから呼ばれる関数	  */
								{
										T_CMBF	cmbf  = { NULL, TA_TFIFO, 0x10, 0x4 };
										T_CTSK	ctskA = { NULL, TA_HLNG|TA_RNG0, taskA, 1, 4*1024 };
										T_CTSK	ctskB = { NULL, TA_HLNG|TA_RNG0, taskB, 2, 4*1024 };
										ID		tskIdA;					 /* タスクAの識別子		        */
										ID		tskIdB;					 /* タスクBの識別子		        */

										mbfid = tk_cre_mbf( &cmbf );	/* メッセージバッファを生成	       */

										tskIdA = tk_cre_tsk( &ctskA );	/* タスクAを生成				   */
										tk_sta_tsk( tskIdA, 0 );		/* タスクAの実行を開始		  	 */

										tskIdB = tk_cre_tsk( &ctskB );	/* タスクBを生成				   */
										tk_sta_tsk( tskIdB, 0 );		/* タスクBの実行を開始		 	 */

										tk_slp_tsk( TMO_FEVR );			/* 起床待ち状態に移行		  	 */
										return 0;
								}
								

tk_rcv_mbfがメッセージを受信する機能、tk_snd_mbfがメッセージを送信する機能です。

プログラムを動作させるとタスクAの方が先に実行を開始しますが、17行目(タスクAの中)にtk_rcv_mbfを入れてあるので、メッセージ受信待ちになり、ここで一旦処理を停止します。その後、タスクBが実行状態となります。タスクBが(doWorkBの処理を完了した後で)32行目のtk_snd_mbfを実行すると、タスク優先度高(=1)のタスクAがtk_rcv_mbfによる停止状態(T-Kernelで言う「待ち状態」)から戻り、doWorkAを実行できるようになります。

なお、T-Kernelではイベントフラグなどと同様に、予め利用するメッセージバッファの準備をしておく必要があります。これが46行目のtk_cre_mbf(メッセージバッファの生成)です。T-Kernelでは、目的に応じて複数のメッセージバッファを生成して利用することができます。

ここで示した同期方法は一例にすぎません。例えば、メッセージバッファ領域のサイズが0のメッセージバッファを生成すると、tk_snd_mbfでメッセージ送信待ち状態にすることも可能です。この場合、メッセージは送信側タスクが用意したバッファから、受信側タスクが用意したバッファへと直接コピーされます。

メッセージバッファを利用すると、ここで示した以外にも、さまざまな依存関係に合わせた同期・通信の機能が実現できます。

メールボックス(Mailbox)

メッセージを送受信できる機能は複数用意されていますが、メッセージバッファの他にメールボックスもあります。

リスト2にメールボックスを利用してプログラミングした例を示します(*1)。

  • (*1)doWorkAやdoWorkBでは、各タスク用の処理を行うものとし、必要に応じて待ちを発生することがあるものとします。各タスクではdoWorkAやdoWorkB以外にもさまざまな処理を行うと思いますが、リストでは簡単にするために省略してあります。

【リスト2:メールボックスを利用してプログラミングした例

								#include <basic.h>
								#include <tk/tkernel.h>
								#include <tm/tmonitor.h>

								IMPORT	void	doWorkA( UH );
								IMPORT	UH		doWorkB( void );

								typedef struct {
										T_MSG	msg;
										UH		data;
								} UserMSG;

								ID		mbxid;
								ID		tskIdA;								 /* タスクAの識別子			*/
								ID		tskIdB;								 /* タスクBの識別子			*/

								void	taskA( INT stacd, VP exinf )
								{
										ER		ercd;
										UserMSG	rcv_umsg;

										while(1){
												ercd = tk_rcv_mbx( mbxid, (T_MSG **)&rcv_umsg, TMO_POL );

												if( ercd == E_TMOUT ) { 
														tk_wup_tsk( tskIdB );
												} else {
														doWorkA( rcv_umgs.data );/* タスクA用の処理		*/
												}
										}
										tk_ext_tsk();
								}

								void	taskB( INT stacd, VP exinf )
								{
										UserMSG	umsg[5];
										INT		cnt = 0;

										while(1){
												umsg.data[cnt] = doWorkB();	 /* タスクB用の処理			*/

												tk_snd_mbx( mbxid, (T_MSG *)&umsg[cnt] );

												if( cnt != 4 ) {
														cnt++;
												} else {
														tk_slp_tsk( TMO_FEVR );
														cnt = 0;
												}
										}
										tk_ext_tsk();
								}

								EXPORT	INT		usermain( void )			 /* 初期タスクから呼ばれる関数	*/
								{
										T_CMBX	cmbx  = { NULL, TA_TFIFO|TA_MFIFO };
										T_CTSK	ctskA = { NULL, TA_HLNG|TA_RNG0, taskA, 2, 4*1024 };
										T_CTSK	ctskB = { NULL, TA_HLNG|TA_RNG0, taskB, 1, 4*1024 };

										mbxid = tk_cre_mbx( &cmbx );		 /* メールボックスを生成   	*/

										tskIdB = tk_cre_tsk( &ctskB );		 /* タスクBを生成      	*/
										tk_sta_tsk( tskIdB, 0 );			 /* タスクBの実行を開始		  */

										tskIdA = tk_cre_tsk( &ctskA );		 /* タスクAを生成      	*/
										tk_sta_tsk( tskIdA, 0 );			 /* タスクAの実行を開始		  */

										tk_slp_tsk(TMO_FEVR);				 /* 起床待ち状態に移行    	*/
										return 0;
								}
								

tk_rcv_mbxがメッセージを受信する機能、tk_snd_mbxがメッセージを送信する機能です。

プログラムを動作させるとタスクBの方が先に実行を開始します。タスクBの中の40行目でメッセージを作成し、42行目のtk_snd_mbxで送信しています。メッセージを5回送った段階で起床待ち状態で待ちになり、ここで一旦処理を停止します。その後、タスクAが実行状態となります。タスクAが23行目のtk_rcv_mbxを実行すると、タスクBから送られてきたメッセージを受信することができます。送信されたメッセージが無くなった段階で、26行目でタスクBに起床要求します。タスクBはtk_slp_tskによる停止状態(T-Kernelで言う「待ち状態」)から戻り、再びメッセージを送信し始めます。

メールボックスもメッセージバッファと同様に、予めその準備をしておく必要があります。これが60行目のtk_cre_mbx(メールボックスの生成)です。T-Kernelでは、目的に応じて複数のメールボックスを生成して利用することができます。

メールボックスがメッセージバッファより優れている点は、メッセージバッファ領域を必要としないため、必要最小限のメモリ領域を動的に確保するだけで実装できる点です。メッセージバッファと異なり、メールボックスではメッセージのコピーを行うのではなく、メッセージの先頭アドレスを通知しています。このため、メッセージのサイズが大きい場合は、メールボックスよりも高速に処理できるといった利点があります。ただし、送信した後もそのメッセージを受信側が受信して処理を終えるまでは、メッセージを改変・削除してはいけません。処理が終わる前に、送信メッセージを改変すると、意図しない動作になる可能性があるため、注意が必要です。

通常は、送信側で「メモリプール機能(第8回参照)」を利用してメモリ領域を確保し、そこにメッセージを作成してからメールボックスに送信します。受信側では受信したメッセージを使い終わったらメモリプールに返却します。このように実装することで、受信側がメッセージを使い終わる前にメッセージを改変してしまうといった誤りを防ぐことができます。