4. 调度算法实战：时间片轮转与优先级抢占

调度算法，说白了就是决定“下一个该谁跑”的规则。我见过不少新手，任务一多就乱套，其实根子就在调度策略没选对。今天咱们把两种最经典的算法掰开揉碎讲清楚。

4.1 时间片轮转（Round-Robin）

时间片轮转，我习惯叫它“排队上车法”。每个任务分一个固定时间片，轮流执行。谁也别插队，谁也别多占。

4.1.1 时间片大小怎么定？

这个很关键。时间片太短，切换开销占比大；太长，又失去了轮转的意义。我在一个电机控制项目里踩过坑——时间片设了5ms，结果切换开销占了CPU的15%，系统响应反而变慢。

场景	推荐时间片	说明
高实时性（按键、通信）	1~5 ms	响应快，但切换频繁
普通控制（传感器采集）	10~50 ms	平衡响应与开销
批量处理（数据记录）	50~200 ms	减少切换，提高吞吐

4.1.2 代码实现

下面是一个简化版的时间片轮转调度器。我故意去掉了复杂的数据结构，让你看清本质。

/* 任务控制块 */
typedef struct {
    void (*task_func)(void);
    uint32_t remaining_ticks;  /* 剩余时间片 */
    uint8_t  state;            /* 0:就绪 1:运行 2:阻塞 */
} TCB_t;

TCB_t task_table[MAX_TASKS];
uint8_t current_task = 0;

/* 系统时钟节拍中断 */
void SysTick_Handler(void) {
    /* 递减当前任务的时间片 */
    if (task_table[current_task].state == 1) {
        task_table[current_task].remaining_ticks--;
    }
    
    /* 时间片用完，触发调度 */
    if (task_table[current_task].remaining_ticks == 0) {
        schedule();
    }
}

/* 调度器：轮转切换 */
void schedule(void) {
    uint8_t next = current_task;
    
    /* 找下一个就绪任务 */
    do {
        next = (next + 1) % MAX_TASKS;
        if (task_table[next].state == 0) {
            break;
        }
    } while (next != current_task);
    
    /* 切换任务 */
    if (next != current_task) {
        task_table[current_task].state = 0;
        current_task = next;
        task_table[current_task].state = 1;
        task_table[current_task].remaining_ticks = TIME_SLICE;
        
        /* 这里触发上下文切换（通常用 PendSV） */
        trigger_context_switch();
    }
}

4.2 优先级抢占（Preemptive）

优先级抢占，说白了就是“急事先办”。高优先级的任务随时可以打断低优先级的任务。你想想看，如果火灾报警器和LED闪烁抢CPU，谁该先跑？

4.2.1 抢占的触发条件

抢占不是随便发生的。我总结了一下，主要有三种情况：

1. 高优先级任务就绪：比如外部中断唤醒了一个高优先级任务。
2. 时间片用完：当前任务时间片耗尽，调度器重新评估优先级。
3. 任务主动让出：任务调用 task_yield() 或进入阻塞。

4.2.2 优先级怎么分配？

这个没有标准答案。我个人的习惯是：

• 0~31：留给硬实时任务（中断、通信、控制回路）
• 32~63：普通周期性任务（传感器采集、状态更新）
• 64~127：后台任务（日志、统计、自检）

4.2.3 优先级反转问题

这个坑我踩过，而且踩得很惨。低优先级任务拿着锁，高优先级任务等锁，中优先级任务趁机抢跑——结果高优先级任务反而被低优先级任务“拖死”。

解决方案有两种：

方案	原理	适用场景
优先级继承	低优先级任务临时提升到高优先级	锁持有时间短
优先级天花板	锁设定一个最高优先级，谁拿锁谁升到那个优先级	锁数量少，静态配置

4.3 两种算法的对比

我把两种算法的核心差异整理成了一张表，方便你对照选择。

维度	时间片轮转	优先级抢占
调度依据	时间片 + 队列顺序	优先级数值
实时性	弱（所有任务平等）	强（高优先级优先）
公平性	高（每个任务都有机会）	低（低优先级可能饿死）
实现复杂度	低	中（需处理优先级反转）
典型场景	任务重要性相近	任务重要性差异大

4.4 混合调度策略

实际项目中，我很少只用一种算法。更常见的做法是：同优先级内轮转，不同优先级间抢占。说白了就是“先看优先级，再看时间片”。

下面这张图展示了混合调度的核心流程：

4.5 实战中的避坑指南

最后，我把自己这些年踩过的坑整理一下，希望能帮你少走弯路。

• 不要把所有任务都设成最高优先级。我曾经这么干过，结果系统一直在切换，实际干活的时间不到30%。
• 时间片不要设得太小。小于1ms的时间片，切换开销会吃掉大量CPU。我一般不低于5ms。
• 注意优先级反转。用互斥锁的地方，一定要考虑优先级继承或天花板。否则高优先级任务可能被低优先级任务“拖死”。
• 中断里不要直接调用调度器。用PendSV做延迟切换，这是ARM Cortex-M的推荐做法。