如何在arduino中实现多线程？
要实现 Arduino 中的“多线程”，我们需要先澄清一个概念：Arduino 的微控制器（比如 ATmega328P，也就是 Arduino Uno 使用的那款）实际上没有真正意义上的多线程硬件支持。这意味着它不能像电脑那样同时执行多个独立的指令流。
然而，在嵌入式开发领域，我们常常用“多线程”来指代一种并发执行的编程模型，即让程序看起来像是同时在做几件事情。这通常是通过任务调度或者状态机来实现的。
这篇文章就来深入聊聊如何在 Arduino 里模拟“多线程”的几种常见方法，并且尽量讲得明白透彻，让你摆脱“这是 AI 写的”这种感觉。
为什么Arduino没有真正的多线程？
首先，我们得明白为什么 Arduino 的微控制器不支持真正的多线程。
硬件限制： 大部分 Arduino 使用的微控制器是单核的，没有多个 CPU 核心来并行处理指令。多线程依赖于硬件有多个处理单元，可以独立地执行不同的线程。
内存和资源限制： 嵌入式系统通常内存和计算资源非常有限。真正的多线程需要操作系统级的支持来管理线程的上下文切换、内存分配、同步等，这对于资源匮乏的微控制器来说是难以承受的。
所以，我们在 Arduino 里做的不是启动真正的“线程”，而是在一个主循环里，通过巧妙的编程技巧，让不同的“任务”轮流得到执行的机会，从而产生并发执行的假象。
方法一：使用 `millis()` 进行时间片轮转（最常见也最实用）
这是在 Arduino 中实现并发执行最常用、最推荐的方法。它模拟了操作系统中的时间片轮转调度，让不同的代码块在不阻塞主循环的情况下，按照设定的间隔轮流执行。
核心思想：
用 `millis()` 函数记录每次执行任务的时间。
在主循环（`loop()`）中不断检查，当前时间距离上次执行某个任务已经过去多久。
如果过去的时间大于预设的间隔，就执行该任务，并更新记录的时间。
工作原理：
想象一下你一个人要同时打扫房间的三个区域：客厅、卧室、厨房。你不会一遍把客厅打扫完再打扫卧室，而是打扫一会儿客厅，然后停下来，去打扫一会儿卧室，再停下来，去打扫一会儿厨房。这样，每个区域都能得到“照顾”，虽然你不是同时在做，但看起来像是同时在进行。
`millis()` 就是你手中的“时钟”。
代码示例：模拟两个 LED 闪烁，一个 500ms 闪一次，一个 1000ms 闪一次。
```cpp
// 定义第一个任务：LED1 以 500ms 闪烁
const int led1Pin = 13; // 连接 LED 的引脚
unsigned long previousMillisTask1 = 0; // 存储上次执行任务1的时间
const long intervalTask1 = 500; // 任务1的执行间隔（毫秒）
int led1State = LOW; // LED1 当前的状态
// 定义第二个任务：LED2 以 1000ms 闪烁
const int led2Pin = 12; // 连接 LED2 的引脚
unsigned long previousMillisTask2 = 0; // 存储上次执行任务2的时间
const long intervalTask2 = 1000; // 任务2的执行间隔（毫秒）
int led2State = LOW; // LED2 当前的状态
void setup() {
pinMode(led1Pin, OUTPUT);
pinMode(led2Pin, OUTPUT);
}
void loop() {
// 获取当前时间
unsigned long currentMillis = millis();
// 任务 1
// 检查是否到了执行任务1的时间
if (currentMillis previousMillisTask1 >= intervalTask1) {
// 保存本次执行的时间
previousMillisTask1 = currentMillis;
// 执行任务1的核心逻辑：翻转 LED1 的状态
if (led1State == LOW) {
led1State = HIGH;
} else {
led1State = LOW;
}
digitalWrite(led1Pin, led1State);
// 可以在这里添加其他任务1的逻辑，例如打印信息
// Serial.println("Task 1 executed");
}
// 任务 2
// 检查是否到了执行任务2的时间
if (currentMillis previousMillisTask2 >= intervalTask2) {
// 保存本次执行的时间
previousMillisTask2 = currentMillis;
// 执行任务2的核心逻辑：翻转 LED2 的状态
if (led2State == LOW) {
led2State = HIGH;
} else {
led2State = LOW;
}
digitalWrite(led2Pin, led2State);
// 可以在这里添加其他任务2的逻辑
// Serial.println("Task 2 executed");
}
// 主循环中的其他非阻塞性任务
// 可以在这里添加其他需要经常检查的逻辑，例如读取传感器
// 或者处理串行通信，只要它们不包含 delay() 函数就可以。
}
```
优点：
简单易懂： 理解起来不复杂，容易上手。
资源消耗低： 不需要额外的库或复杂的内存管理。
非阻塞： 核心在于避免使用 `delay()` 函数，这样即使一个任务在等待，其他任务也能继续运行。
灵活性高： 可以同时管理许多独立的任务，只需要为每个任务设置一个时间戳和间隔即可。
缺点和注意事项：
不是真正的并行： 如果一个任务需要很长的时间来完成（例如，执行一个复杂的计算或等待一个缓慢的设备响应），它仍然会阻塞其他任务的执行，直到它完成。所以，每个任务都应该设计成快速完成，然后返回。
时间精度： `millis()` 的精度取决于系统时钟，在某些情况下可能不是绝对精确。
任务的优先级： 这种简单的轮转方式没有优先级概念。所有任务都被平等对待。如果要实现优先级，需要更复杂的调度器。
避免 `delay()`： 这一点至关重要！ `delay()` 会暂停整个程序，包括你的时间片轮转逻辑，这会破坏并发的“假象”。任何需要等待的操作都应该用 `millis()` 来管理。
如何处理更复杂的任务？
如果一个任务本身需要执行一系列步骤，并且这些步骤之间需要等待，那么你需要将这个任务分解成多个小的“状态”，并使用一个变量来记录当前任务处于哪个状态。这通常被称为状态机。
例如，一个“发送网络数据”的任务可以分解成：
1. 连接服务器
2. 发送数据包
3. 等待响应
4. 处理响应
5. 断开连接
每个状态都可以用一个 `switch` 语句来管理，并根据 `millis()` 的判断在不同的状态之间切换。
方法二：使用 Cooperative Multitasking 库（例如 `TaskScheduler`）
为了简化 `millis()` 的管理，社区中有一些库提供了更高级的任务调度功能，允许你以更结构化的方式定义和管理并发任务。它们本质上还是基于 `millis()` 的轮转，但提供了更友好的 API。
例如，`TaskScheduler` 库：
这个库让你定义任务，设置它们的执行间隔、延迟启动、重复次数等，而无需手动管理 `millis()` 和状态变量。
如何使用（简要示例，具体用法请查阅库文档）：
1. 安装库： 在 Arduino IDE 的库管理器中搜索并安装 `TaskScheduler`。
2. 编写代码：
```cpp
include
// 定义任务的回调函数
void task1Callback() {
Serial.println("Task 1 executed");
digitalWrite(13, !digitalRead(13)); // 翻转 LED
}
void task2Callback() {
Serial.println("Task 2 executed");
digitalWrite(12, !digitalRead(12)); // 翻转 LED
}
// 创建任务调度器对象
Scheduler runner;
// 定义任务对象
// Task(执行间隔, 重复次数, 回调函数, 调度器对象, 启用状态)
Task t1(500, TASK_FOREVER, &task1Callback, &runner, true);
Task t2(1000, TASK_FOREVER, &task2Callback, &runner, true);
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(13, OUTPUT);
pinMode(12, OUTPUT);
Serial.println("Starting scheduler...");
// 任务默认是启用的，这里只是展示添加任务的例子
// runner.addTask(t1);
// runner.addTask(t2);
// 启动所有已添加的任务
runner.enableAll();
}
void loop() {
// 在 loop() 函数中，只需要调用 scheduler 的 execute 方法
// 它会自动检查所有已添加到其中的任务，并根据它们的设置来执行
runner.execute();
// 这里可以放其他非阻塞性的代码
}
```
优点：
代码更整洁： 将任务的定义和执行逻辑分离开来，更容易管理。
功能更丰富： 通常提供更高级的调度选项，如一次性任务、延时启动、禁用/启用任务等。
减少手动错误： 自动处理 `millis()` 的逻辑，减少因手动实现可能出现的 bug。
缺点：
增加库依赖： 需要安装额外的库，增加了项目的复杂性。
少量内存和性能开销： 库本身会占用一些内存和处理器时间。
学习曲线： 需要学习库的 API 和使用方式。
方法三：使用 FreeRTOS 或其他实时操作系统（RTOS）
对于更复杂的项目，或者需要更严格的实时性控制、任务优先级管理、进程间通信（IPC）等高级功能时，可以考虑在 Arduino 上运行一个实时操作系统（RTOS）。
例如，FreeRTOS：
FreeRTOS 是一个非常流行的嵌入式 RTOS，它可以在许多微控制器上运行，包括一些支持 Arduino 的平台（例如 ESP32，虽然 ESP32 的 Arduino 核心已经内置了对 RTOS 的支持）。
工作原理：
RTOS 提供了一个真正的多任务调度器，它可以在多个“线程”（或称为“任务”）之间进行上下文切换。它负责管理每个任务的执行、优先级、内存以及它们之间的同步和通信。
优点：
真正的多任务并发： 如果硬件支持（例如多核处理器），可以实现真正的并行。即使是单核，也能提供比 `millis()` 更平滑、更高效的任务切换。
强大的功能： 支持任务优先级、互斥锁、信号量、消息队列、事件标志组等复杂的同步和通信机制。
良好的结构化： 适合大型、复杂的项目，可以清晰地划分不同的功能模块。
缺点：
复杂性高： 对于初学者来说，学习和使用 RTOS 的门槛非常高。
资源消耗大： RTOS 本身需要占用相当大的内存和处理器资源，对于资源极其有限的 Arduino Uno 等微控制器可能不适用。
硬件平台限制： 并非所有 Arduino 板都容易集成和运行 RTOS。通常更适用于 ESP32、STM32 等更强大的微控制器。
总结一下 RTOS 的使用场景：
如果你的项目需要：
多个传感器同时被频繁读取，并且要求低延迟。
复杂的网络通信和数据处理，需要后台运行。
UI 界面的响应速度要求很高。
需要严格的任务优先级和可靠的同步机制。
那么可以考虑 RTOS。否则，对于大多数 Arduino 项目，`millis()` 或库会是更明智的选择。
避免踩坑的几个关键点：
1. 永远不要在 `loop()` 里使用 `delay()` 函数！ 这是实现并发的头号敌人。如果你需要等待，请用 `millis()` 来管理。
2. 将任务设计成“非阻塞”： 确保每个任务在执行时，逻辑都应该快速完成，然后返回到 `loop()`。如果任务需要较长时间才能完成，考虑将其分解成更小的状态。
3. 清晰的任务划分： 尽量将不同的功能模块或任务逻辑独立出来，封装成函数或类，这样更容易管理和维护。
4. 变量的作用域： 为每个任务定义的变量要确保其作用域是正确的，并且在多任务环境下不会互相干扰（例如，使用局部变量或为每个任务定义独立的全局变量/静态变量）。
5. 同步问题： 如果多个任务需要访问同一块共享资源（比如一个变量或一个硬件端口），你需要考虑同步机制，以防止数据竞争。在 `millis()` 的简单轮转中，这通常意味着在访问共享资源的代码块前后使用临界区（比如临时禁用中断），或者使用标志位来确保一次只有一个任务在修改。
结语
在 Arduino 中谈论“多线程”，更多的是一种编程范式和思维方式的转变，而不是字面意义上的硬件多线程。通过巧妙地利用 `millis()` 进行时间片轮转，我们可以让 Arduino 看起来像是在同时处理多项任务，这对于大多数嵌入式项目来说已经足够强大和灵活了。
当你从一个简单的 `loop()` 结构，过渡到管理多个独立运行的任务时，你的 Arduino 项目就可以迈向一个全新的层次。记住，关键在于避免阻塞，并用时间来驱动你的程序流。祝你编程愉快！
然而，在嵌入式开发领域，我们常常用“多线程”来指代一种并发执行的编程模型，即让程序看起来像是同时在做几件事情。这通常是通过任务调度或者状态机来实现的。
这篇文章就来深入聊聊如何在 Arduino 里模拟“多线程”的几种常见方法，并且尽量讲得明白透彻，让你摆脱“这是 AI 写的”这种感觉。
为什么Arduino没有真正的多线程？
首先，我们得明白为什么 Arduino 的微控制器不支持真正的多线程。
硬件限制： 大部分 Arduino 使用的微控制器是单核的，没有多个 CPU 核心来并行处理指令。多线程依赖于硬件有多个处理单元，可以独立地执行不同的线程。
内存和资源限制： 嵌入式系统通常内存和计算资源非常有限。真正的多线程需要操作系统级的支持来管理线程的上下文切换、内存分配、同步等，这对于资源匮乏的微控制器来说是难以承受的。
所以，我们在 Arduino 里做的不是启动真正的“线程”，而是在一个主循环里，通过巧妙的编程技巧，让不同的“任务”轮流得到执行的机会，从而产生并发执行的假象。
方法一：使用 `millis()` 进行时间片轮转（最常见也最实用）
这是在 Arduino 中实现并发执行最常用、最推荐的方法。它模拟了操作系统中的时间片轮转调度，让不同的代码块在不阻塞主循环的情况下，按照设定的间隔轮流执行。
核心思想：
用 `millis()` 函数记录每次执行任务的时间。
在主循环（`loop()`）中不断检查，当前时间距离上次执行某个任务已经过去多久。
如果过去的时间大于预设的间隔，就执行该任务，并更新记录的时间。
工作原理：
想象一下你一个人要同时打扫房间的三个区域：客厅、卧室、厨房。你不会一遍把客厅打扫完再打扫卧室，而是打扫一会儿客厅，然后停下来，去打扫一会儿卧室，再停下来，去打扫一会儿厨房。这样，每个区域都能得到“照顾”，虽然你不是同时在做，但看起来像是同时在进行。
`millis()` 就是你手中的“时钟”。
代码示例：模拟两个 LED 闪烁，一个 500ms 闪一次，一个 1000ms 闪一次。
```cpp
// 定义第一个任务：LED1 以 500ms 闪烁
const int led1Pin = 13; // 连接 LED 的引脚
unsigned long previousMillisTask1 = 0; // 存储上次执行任务1的时间
const long intervalTask1 = 500; // 任务1的执行间隔（毫秒）
int led1State = LOW; // LED1 当前的状态
// 定义第二个任务：LED2 以 1000ms 闪烁
const int led2Pin = 12; // 连接 LED2 的引脚
unsigned long previousMillisTask2 = 0; // 存储上次执行任务2的时间
const long intervalTask2 = 1000; // 任务2的执行间隔（毫秒）
int led2State = LOW; // LED2 当前的状态
void setup() {
pinMode(led1Pin, OUTPUT);
pinMode(led2Pin, OUTPUT);
}
void loop() {
// 获取当前时间
unsigned long currentMillis = millis();
// 任务 1
// 检查是否到了执行任务1的时间
if (currentMillis previousMillisTask1 >= intervalTask1) {
// 保存本次执行的时间
previousMillisTask1 = currentMillis;
// 执行任务1的核心逻辑：翻转 LED1 的状态
if (led1State == LOW) {
led1State = HIGH;
} else {
led1State = LOW;
}
digitalWrite(led1Pin, led1State);
// 可以在这里添加其他任务1的逻辑，例如打印信息
// Serial.println("Task 1 executed");
}
// 任务 2
// 检查是否到了执行任务2的时间
if (currentMillis previousMillisTask2 >= intervalTask2) {
// 保存本次执行的时间
previousMillisTask2 = currentMillis;
// 执行任务2的核心逻辑：翻转 LED2 的状态
if (led2State == LOW) {
led2State = HIGH;
} else {
led2State = LOW;
}
digitalWrite(led2Pin, led2State);
// 可以在这里添加其他任务2的逻辑
// Serial.println("Task 2 executed");
}
// 主循环中的其他非阻塞性任务
// 可以在这里添加其他需要经常检查的逻辑，例如读取传感器
// 或者处理串行通信，只要它们不包含 delay() 函数就可以。
}
```
优点：
简单易懂： 理解起来不复杂，容易上手。
资源消耗低： 不需要额外的库或复杂的内存管理。
非阻塞： 核心在于避免使用 `delay()` 函数，这样即使一个任务在等待，其他任务也能继续运行。
灵活性高： 可以同时管理许多独立的任务，只需要为每个任务设置一个时间戳和间隔即可。
缺点和注意事项：
不是真正的并行： 如果一个任务需要很长的时间来完成（例如，执行一个复杂的计算或等待一个缓慢的设备响应），它仍然会阻塞其他任务的执行，直到它完成。所以，每个任务都应该设计成快速完成，然后返回。
时间精度： `millis()` 的精度取决于系统时钟，在某些情况下可能不是绝对精确。
任务的优先级： 这种简单的轮转方式没有优先级概念。所有任务都被平等对待。如果要实现优先级，需要更复杂的调度器。
避免 `delay()`： 这一点至关重要！ `delay()` 会暂停整个程序，包括你的时间片轮转逻辑，这会破坏并发的“假象”。任何需要等待的操作都应该用 `millis()` 来管理。
如何处理更复杂的任务？
如果一个任务本身需要执行一系列步骤，并且这些步骤之间需要等待，那么你需要将这个任务分解成多个小的“状态”，并使用一个变量来记录当前任务处于哪个状态。这通常被称为状态机。
例如，一个“发送网络数据”的任务可以分解成：
1. 连接服务器
2. 发送数据包
3. 等待响应
4. 处理响应
5. 断开连接
每个状态都可以用一个 `switch` 语句来管理，并根据 `millis()` 的判断在不同的状态之间切换。
方法二：使用 Cooperative Multitasking 库（例如 `TaskScheduler`）
为了简化 `millis()` 的管理，社区中有一些库提供了更高级的任务调度功能，允许你以更结构化的方式定义和管理并发任务。它们本质上还是基于 `millis()` 的轮转，但提供了更友好的 API。
例如，`TaskScheduler` 库：
这个库让你定义任务，设置它们的执行间隔、延迟启动、重复次数等，而无需手动管理 `millis()` 和状态变量。
如何使用（简要示例，具体用法请查阅库文档）：
1. 安装库： 在 Arduino IDE 的库管理器中搜索并安装 `TaskScheduler`。
2. 编写代码：
```cpp
include
// 定义任务的回调函数
void task1Callback() {
Serial.println("Task 1 executed");
digitalWrite(13, !digitalRead(13)); // 翻转 LED
}
void task2Callback() {
Serial.println("Task 2 executed");
digitalWrite(12, !digitalRead(12)); // 翻转 LED
}
// 创建任务调度器对象
Scheduler runner;
// 定义任务对象
// Task(执行间隔, 重复次数, 回调函数, 调度器对象, 启用状态)
Task t1(500, TASK_FOREVER, &task1Callback, &runner, true);
Task t2(1000, TASK_FOREVER, &task2Callback, &runner, true);
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(13, OUTPUT);
pinMode(12, OUTPUT);
Serial.println("Starting scheduler...");
// 任务默认是启用的，这里只是展示添加任务的例子
// runner.addTask(t1);
// runner.addTask(t2);
// 启动所有已添加的任务
runner.enableAll();
}
void loop() {
// 在 loop() 函数中，只需要调用 scheduler 的 execute 方法
// 它会自动检查所有已添加到其中的任务，并根据它们的设置来执行
runner.execute();
// 这里可以放其他非阻塞性的代码
}
```
优点：
代码更整洁： 将任务的定义和执行逻辑分离开来，更容易管理。
功能更丰富： 通常提供更高级的调度选项，如一次性任务、延时启动、禁用/启用任务等。
减少手动错误： 自动处理 `millis()` 的逻辑，减少因手动实现可能出现的 bug。
缺点：
增加库依赖： 需要安装额外的库，增加了项目的复杂性。
少量内存和性能开销： 库本身会占用一些内存和处理器时间。
学习曲线： 需要学习库的 API 和使用方式。
方法三：使用 FreeRTOS 或其他实时操作系统（RTOS）
对于更复杂的项目，或者需要更严格的实时性控制、任务优先级管理、进程间通信（IPC）等高级功能时，可以考虑在 Arduino 上运行一个实时操作系统（RTOS）。
例如，FreeRTOS：
FreeRTOS 是一个非常流行的嵌入式 RTOS，它可以在许多微控制器上运行，包括一些支持 Arduino 的平台（例如 ESP32，虽然 ESP32 的 Arduino 核心已经内置了对 RTOS 的支持）。
工作原理：
RTOS 提供了一个真正的多任务调度器，它可以在多个“线程”（或称为“任务”）之间进行上下文切换。它负责管理每个任务的执行、优先级、内存以及它们之间的同步和通信。
优点：
真正的多任务并发： 如果硬件支持（例如多核处理器），可以实现真正的并行。即使是单核，也能提供比 `millis()` 更平滑、更高效的任务切换。
强大的功能： 支持任务优先级、互斥锁、信号量、消息队列、事件标志组等复杂的同步和通信机制。
良好的结构化： 适合大型、复杂的项目，可以清晰地划分不同的功能模块。
缺点：
复杂性高： 对于初学者来说，学习和使用 RTOS 的门槛非常高。
资源消耗大： RTOS 本身需要占用相当大的内存和处理器资源，对于资源极其有限的 Arduino Uno 等微控制器可能不适用。
硬件平台限制： 并非所有 Arduino 板都容易集成和运行 RTOS。通常更适用于 ESP32、STM32 等更强大的微控制器。
总结一下 RTOS 的使用场景：
如果你的项目需要：
多个传感器同时被频繁读取，并且要求低延迟。
复杂的网络通信和数据处理，需要后台运行。
UI 界面的响应速度要求很高。
需要严格的任务优先级和可靠的同步机制。
那么可以考虑 RTOS。否则，对于大多数 Arduino 项目，`millis()` 或库会是更明智的选择。
避免踩坑的几个关键点：
1. 永远不要在 `loop()` 里使用 `delay()` 函数！ 这是实现并发的头号敌人。如果你需要等待，请用 `millis()` 来管理。
2. 将任务设计成“非阻塞”： 确保每个任务在执行时，逻辑都应该快速完成，然后返回到 `loop()`。如果任务需要较长时间才能完成，考虑将其分解成更小的状态。
3. 清晰的任务划分： 尽量将不同的功能模块或任务逻辑独立出来，封装成函数或类，这样更容易管理和维护。
4. 变量的作用域： 为每个任务定义的变量要确保其作用域是正确的，并且在多任务环境下不会互相干扰（例如，使用局部变量或为每个任务定义独立的全局变量/静态变量）。
5. 同步问题： 如果多个任务需要访问同一块共享资源（比如一个变量或一个硬件端口），你需要考虑同步机制，以防止数据竞争。在 `millis()` 的简单轮转中，这通常意味着在访问共享资源的代码块前后使用临界区（比如临时禁用中断），或者使用标志位来确保一次只有一个任务在修改。
结语
在 Arduino 中谈论“多线程”，更多的是一种编程范式和思维方式的转变，而不是字面意义上的硬件多线程。通过巧妙地利用 `millis()` 进行时间片轮转，我们可以让 Arduino 看起来像是在同时处理多项任务，这对于大多数嵌入式项目来说已经足够强大和灵活了。
当你从一个简单的 `loop()` 结构，过渡到管理多个独立运行的任务时，你的 Arduino 项目就可以迈向一个全新的层次。记住，关键在于避免阻塞，并用时间来驱动你的程序流。祝你编程愉快！
网友意见
如果是atmega328的话可以跑freertos的
attiny85的话就算了, 最多用用protothreads吧
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