pthread-Task als Methode einer C++ Klasse?

**botty** · 28.09.2016, 20:21

zu a)

ja, task_PID_[ABC] wird durch die allgemeine form pid_calc ersetzt.

Sinngemäss wie du auf die Elemente des Arrays zugreifst sähe so aus (ohne das ich jetzt verstehe was dein Algo macht):

Code:

void *pid_calc(void *arg) {
  float aspeed, damp, PWMpwr, readold, errorold, tprop;
  long  readstart, cmax, cmin;                         // for monitoring
  long  starttime, runtime, clock, dtime;              // timer
  char  regloop;
  
  // arg nach index casten
  unsigned port = (unsigned)arg;

  motor[port].runstate = 0x10;                               // reg state: RAMPUP
  motor[port].read     = (MotorRotationCount(port));        // get current encoder reading
  motor[port].err      = motor[port].target - motor[port].read;          // error to target

  readstart      = motor[port].read;
  regloop        = 1;

  damp=0;                                 // damp the integral memory

  starttime= CurrentTick();


  // appoach target
  _Astart:
  motor[port].runstate = 0x10;                  // run state: RUNNING

  do {
    pthread_testcancel();

    dtime    = CurrentTick() - clock;
    clock    = CurrentTick();
    runtime  = clock - starttime;
    tprop    = dtime/20.0;

    if ((motor[port].err==errorold)&& (abs(motor[port].err)>motor[port].precis))
      damp=1; // stalling
    else
      damp=motor[port].damp;

    motor[port].integr = (damp * motor[port].integr) + motor[port].err;

    if((motor[port].integr) > 3*motor[port].maxout) 
      motor[port].integr = 3*motor[port].maxout; // cut away
    else if((motor[port].integr) <-3*motor[port].maxout)
      motor[port].integr =-3*motor[port].maxout;

    PWMpwr= (motor[port].P*motor[port].err) + (motor[port].I*motor[port].integr)*tprop + (motor[port].D*(motor[port].err-errorold))/tprop;


    if(PWMpwr >  motor[port].maxout)
      PWMpwr=  motor[port].maxout;   // forward maxout
    else if(PWMpwr < -motor[port].maxout)
      PWMpwr= -motor[port].maxout;   // reverse maxout

    motor[port].speed= (motor[port].read-readold)*100/dtime;  // rotat speed [degrees/100ms]

    aspeed = abs(motor[port].speed) ;

    if (aspeed > motor[port].tarpwm)  {
        PWMpwr = sign(PWMpwr)*motor[port].tarpwm;
    }

    motor[port].outp = round(PWMpwr);

     //**************************************************************************
                                                   // PID regulation !
    OnFwd(port, (motor[port].outp));                         // action !
    Wait(motor[port].regtime);                                // wait regulation time

    //**************************************************************************

    readold     = motor[port].read;                           // save old sensor
    errorold    = motor[port].err;                            // save old error

    motor[port].read  = (MotorRotationCount(port));          // get new encoder value
    motor[port].err   = motor[port].target-motor[port].read;              // new error to target

    if (motor[port].read>cmax) 
      cmax=motor[port].read;               // monitor overshooting
    else if (motor[port].read<cmin)
      cmin=motor[port].read;               // monitor overshooting

    if ((motor[port].cont)&& (abs(motor[port].err)<=motor[port].precis))
      motor[port].runstate = 0x60;
    else 
      motor[port].runstate = 0x20;

    if (motor[port].cont) 
      continue;
    if (abs(motor[port].err)<=motor[port].precis) {
      regloop +=1 ; 
      motor[port].runstate = 0x40;
    }

  } while ((abs(motor[port].err)>=motor[port].precis) && (regloop<=5));  // target reached

  Off(port);                                      // finished - brake motor
  motor[port].runstate = 0x40;                           // run state: RAMPDOWN
  motor[port].outp=0;

  Wait(50);
  motor[port].read = MotorRotationCount(port);
  regloop=1;

  if (motor[port].read>cmax) cmax=motor[port].read;            // detect overshooting
  if (motor[port].read<cmin) cmin=motor[port].read;            // detect overshooting
  motor[port].err = motor[port].target-motor[port].read;

  if ((abs(motor[port].err)>motor[port].precis)) {
    goto _Astart;
  }

  motor[port].runstate=0;
  Wait(1);                                //runstate = IDLE

}

zu b)

klar geht das, in deinem Beispiel legst du einfach fünf Threads an, die vom OS ausgeführt werden.
Was du nicht machen darfst ist zweimal ein RotatePID mit der identischen Portnummer aufzurufen ohne vorher ein StopPIDcontrol aufzurufen. Würdest du das machen hättest du zwei Threads die dann doch wieder auf einem PID rumrechnen.
Ausserdem würde ich statt Nummern für die Ports eine enum erstellen, Namen sind einfacher zu lesen, als mit 0,4,7 einen Motor zu assoziieren.

HaWe · 28.09.2016, 22:23

toll, danke, auch für deine Mühe mit dem ganzen Code

das war auch bisher der Punkt, den ich nicht verstanden hatte mit der Vielzahl der pthread-Tasks:
Ich dachte immer, um 2 (3,4,5) tasks unabhängig zu starten, müsse man ihnen außer eigene pthreadIDs auch 2 (3,4,5) verschiedene eindeutige unterscheidbare Namen geben
- dass es ausreicht, einen identischen Namen zu verwenden und zusätzlich zur eindeutigen pthreadID nur noch ein 4.Parameter damit sie verschiedene Variablen ansprechen, war mir nicht klar.
Es scheint also vor allem der eindeutige Handle (die pthread-ID im 1. Parameter) zu sein, die den task auf einer eigenen unabhängigen Timeslice starten lässt.
Perfekt.
Wenn ich das jetzt richtig verstanden habe, dann wird es funktionieren.
Tausend Dank, ich setz mich dran!

ps,
das mit den Namen werde ich später auch so machen, wschl allerdings als #defines:
#define LEFTW 0
#define RIGHTW 1
#define TURNTABLE 2
#define SHOULDER 3
oder so ähnlich...

HaWe · 29.09.2016, 12:04

update:

hab meinen ursprünglichen NXC Code jetzt soweit fü gpp portiert und entlaust, dass er (bis auf ein paar Warnings) fehlerfrei compiliert.
Ich bn mir noch unklar darüber, wo das pthread_join hinmuss, wenn man es den Tasks überlässt, dass sie bis zur Selbstterminierung laufen, um hier keine Karteileichen im Scheduler zu hinterlassen.
Ist das richtig: direkt hinter dem Aufruf von pthread im RotatePID Wrapper?

Code:

void RotatePID(uint8_t port, long Target, float RotatSpeed, int8_t cont) {
    
    motor[port].runstate=1;                // set runstate: PID active
    // custom init PID [port]    
    motor[port].target =Target;                   // assign target
    motor[port].tarpwm =RotatSpeed;               // assign rotation speed
    motor[port].cont=cont;                        // cont vs. hit once
    // Reset PID control defaults
    motor[port].outp    =0;                // PID control output value
    motor[port].maxout  =100;              // absolute max possible output (max pwr)
    motor[port].read    =0;                // current reading
    motor[port].err     =0;                // current error
    motor[port].integr  =0;                // integral of errors
    motor[port].speed   =0;                // current speed

    pthread_create( & motor[port].tid,  // id speichern in dem dazugehörigen Array-Element
                    0,                  // Default Attribute (threads cancelbar)
                    PID_calc,           // Name der PID-Kalkulationsroutinge
                    (void*)port);       // der Index des Array-Elements für eine PID Struktur, 
                                        // die mit dem Motorindex gleich ist.     
 
    
    pthread_join(motor[port].tid, NULL);  //  <<<<<<<<<<<<<<<<<< ????
    

                                    
}

oder muss hier evtl auch noch eine zusätzliche while Abfrage dazwischen, denn der Task soll ja nicht unmittelbar nachdem er gestartet wurde schon wieder beendt/gejoint werden?
z.B.:

while(motor[port].tid);

**botty** · 29.09.2016, 12:10

Nein, das join kommt woanders hin.

Aber erstmal musst du zwei Typen von Threads unterscheiden:

1) Ein Thread auf den du nicht warten willst und der einfach durchlaufen soll ist ein "Detached" Thread. Ist dieser durch seine Routine gelaufen, dann räumt das OS von alleine auf. Damit ein Thread "Detached" markiert ist, rufst du nach dem pthread_create mit der ThreadId pthread_detach auf:

Code:

#include <stdbool.h>

void RotatePID(uint8_t port, long Target, float RotatSpeed, int8_t cont, bool detach) {
    
    motor[port].runstate=1;                // set runstate: PID active
    // custom init PID [port]    
    motor[port].target =Target;                   // assign target
    motor[port].tarpwm =RotatSpeed;               // assign rotation speed
    motor[port].cont=cont;                        // cont vs. hit once
    // Reset PID control defaults
    motor[port].outp    =0;                // PID control output value
    motor[port].maxout  =100;              // absolute max possible output (max pwr)
    motor[port].read    =0;                // current reading
    motor[port].err     =0;                // current error
    motor[port].integr  =0;                // integral of errors
    motor[port].speed   =0;                // current speed

    pthread_create( & motor[port].tid,  // id speichern in dem dazugehörigen Array-Element
                    0,                  // Default Attribute (threads cancelbar)
                    PID_calc,           // Name der PID-Kalkulationsroutinge
                    (void*)port);       // der Index des Array-Elements für eine PID Struktur, 
                                        // die mit dem Motorindex gleich ist.     

   // Zur Unterscheidung Parameterliste von RotatePID und High-Level-Funktionen erweitern.
   if(detach)
      pthread_detach(& motor[port].tid);
}

Zu beachten gilt hier noch, dass du so einen Thread nach dem detach nie wieder joinen kannst. Sinvollerweise markierst du das Ende des Threads in der Routine zum Schluss im runstate und setzt die tid wieder auf 0.

2) Bei den anderen Threads die du joinen möchtest mußt du unterscheiden ob du auf das natürliche Ende warten willst oder ob du sie abbrechen (pthread_cancel) möchtest.
In deinem API hattest du eine StopPIDcontroler Funktion, in diese würde ich das optionale cancel und das join implementieren. In etwa so:

Code:

#include <stdbool.h>

void StopPIDcontrol(char port, bool cancel) {

  if(cancel)
    pthread_cancel(motor[port].tid)

  pthread_join(motor[port].tid, 0);

  motor[port].tid = 0;
  motor[port].runstate = 0;

  // und andere Variablen nach dem Ende des Threads setzen
}

Dann hast du eine klare Aufteilung: StopPIDcontrol hält joinable Threads (gewaltsam) an und alle anderen High-Level-Routinen starten einen Thread.

Gruss
botty

P.S. Sinnvollerweise guckst du dir in den man Pages die Rückgabewerte der pthread_ Funktionen an und behandelst noch die möglichen Fehler, das habe ich hier weg gelassen.

HaWe · 29.09.2016, 12:48

meine PID threads müssen sowohl durchlaufen können (sich selbst überlassen) als auch von außen beendet werden können, falls nötig.
Wie das gehen soll, ist im Prinzip auch "Verhandlungssache" (gewaltsam oder über einen Semaphor, s.u.).
Wer dann hinterher aufräumt, ist mir wurscht, am praktischsten ntl, wenn es automatisch geht

A-Bär: wenn er einmal beendet ist, muss er (bzw. sein Nachfolger mit derselben port-Nr) ntl jederzeit wieder neu gestartet werden können, für die nächste PID-Annäherung. Ob er dann vom OS eine neue pthread-ID zugewiesen bekommt, ist aber ntl auch wieder egal.

Was das Joinen bewirkt, ist mir nicht ganz klar, ich hatte es so verstanden, dass ihre Timeslice wieder mit der von main() vereinigt wird.
Alle PID-Tasks sollen so gleichartig behandelt werden, während meine Tasks, die von main() am Anfang gestartet werden, so bleiben können wie bisher:
hier muss ich nichts unbedingt gewaltsam beenden, und wenn, dann funktioniert das dort über eine globale Variable (Semaphor) _TASKS_ACTIVE_ :
sobald die iwo auf false gesetzt wird, beenden sich alle Haupt-Threads dann selbsttätig und werden dann in main() gejoint:

Code:

// ***SNIP***


void* thread3Go (void* ) {       //  highest priority:  100µs encoder timer
   while(_TASKS_ACTIVE_) {   
      updateEncoders();
      usleep(100);
   }
   return NULL;
}



void* thread4Go (void* ) {       //  medium  priority: UART
    while(_TASKS_ACTIVE_) {   
      UARTcomm();
   }
    return NULL;
}


// ***SNIP***



int main() {
    char  sbuf[128];
    int err;
 
    // wiringPi   
    err = wiringPiSetup();   
    if( err == -1 ) return 1;     
       
    // UART Serial com port
    fserialRemote = serialOpen (usb0, UARTclock);            //  UART baud rate     
       
    initarrays();       
    setupDpins();
    setupI2C();
   
    pthread_t thread0, thread1, thread2, thread3, thread4, thread5;
    struct  sched_param  param;

    pthread_create(&thread0, NULL, thread0Go, NULL);     // lowest priority task: screen output
    param.sched_priority = 10;
    pthread_setschedparam(thread0, SCHED_RR, &param);
   
    pthread_create(&thread1, NULL, thread1Go, NULL);     // low priority: keyboard monitoring (stop program)
    param.sched_priority = 20;
    pthread_setschedparam(thread1, SCHED_RR, &param);
   
    pthread_create(&thread2, NULL, thread2Go, NULL);     // medium  priority: motor control
    param.sched_priority = 40;
    pthread_setschedparam(thread2, SCHED_RR, &param);
   
    pthread_create(&thread3, NULL, thread3Go, NULL);     // highest priority: encoder reading     
    param.sched_priority = 80;
    pthread_setschedparam(thread3, SCHED_FIFO, &param);
   
    pthread_create(&thread4, NULL, thread4Go, NULL);     // medium priority:  UART comm   <<< test !!
    param.sched_priority = 40;
    pthread_setschedparam(thread4, SCHED_FIFO, &param);
   
    pthread_create(&thread5, NULL, thread5Go, NULL);     // medium priority: navigation
    param.sched_priority = 40;
    pthread_setschedparam(thread5, SCHED_FIFO, &param);
   


    while(_TASKS_ACTIVE_) { delay(1); }
     
    // wait for threads to join before exiting
    pthread_join(thread0, NULL);
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);
    pthread_join(thread3, NULL);
    pthread_join(thread4, NULL);
    pthread_join(thread5, NULL);
   
    serialClose( fserialRemote);
   
    exit(0);
}

falls es das irgendwie einfacher macht, könnte man auch die PID-threads auf diese Weise mit einer zusätzlichen Abbruchbedingung stoppen!

HaWe · 29.09.2016, 16:58

Der Standardfall wäre sicher, dass der PID Task gestartet wird und man überlässt ihn sich selber.
trotzdem kann es sein
(z.B.: bei ursprünglich geplante "Annäherung um 9000 Grad vorwärts drehen"
oder bei "Ziel annähern und kontinuierlich, dauerhaft gegen (passive) Verstellung halten")
, dass er vorzeitig gestoppt werden muss , wenn es die Situation erfordert,
und dann nach Abbruch eventuell sofort eine neue Annäherung erfolgen muss
(auf z.B. -1000 Grad per rückwärts drehen oder was auch immer) .

Wie wäre dann der einfachste Weg, das Stoppen zu bewerkstelligen?

Idee zum vorzeitigen Abbruch der PID-Regulation-Loop:

evtl das Stoppen über Implementierung einer weiteren PID-Strukturvariable
char StopPIDcontrol
die standardmässig anfangs auf Null gesetzt wird,
und wenn sie extern zum Beenden auf 1 gesetzt wird, wird nach interner Prüfung in der pthread PID loop der pthread beendet:

Code:

if(motor[port].StopPIDcontrol) {
  motorCoast(port);
  motor[port].runstate=0;
  motor[port].speed   =0;
  motor[port].outp    =0; 
  motor[port].cont    =0;
  return NULL;
}

wie und wo kämen dann weitere Aufräumarbeiten hin, und wie oder wo muss dann etwas gejoint werden oder nicht?

**botty** · 29.09.2016, 17:02

Nein eine weitere Variable brauchst du nicht.

Mit der Funktion pthread_cancel wird der Thread am nächsten cancel point unterbrochen. Ein cancel point ist entweder eine Systemfunktion oder du kannst explizit an Stellen in deiner PID Routine ein cancel point mit pthread_testcancel einbauen. Vorzugsweise vor einer Zeitintensiven Aktion. Ich hatte diese Funktion gestern Abend schon an den Anfang in der do{}while()-Schleife gepackt (Wie sieht der Code der aktuellen Version deiner PID Kalkulation aus?).

Zum join: diese Funktion dient der synchronisation zwischen aufrufenden Thread und dem Thread dessen id du beim Aufruf angibst. Sprich der Aufrufende wartet solange bis der andere zu Ende ist, diese Funktion blockiert also ggf. In deinem letzten Beispiel eine Seite vorher kannst du dir

Code:

    while(_TASKS_ACTIVE_) { delay(1); }

sparen. Der main Thread blockiert am ersten join bis sich die Threads beenden.

Was für mich jetzt zum Verständnis hilfreich wäre: Wo entscheidest du was gemacht werden soll? Und in welchem Thread läuft das dann ab? Wie sieht grob dieser Teil des Programms aus?