【android bluetooth 框架分析 01】【关键线程 5】【bt_main_thread介绍】

1. 概述

• system/stack/btu/btu_task.cc

bt_main_thread 是 Android Bluetooth 协议栈中的核心线程，负责处理蓝牙协议栈中的大部分关键任务和事件。它相当于蓝牙协议栈的"大脑"，协调各种蓝牙功能的运行。

2. 重要性

bt_main_thread 的重要性体现在以下几个方面：

1. 中央调度中心：几乎所有蓝牙协议栈的关键操作都要经过这个线程

2. 线程安全保证：通过将所有关键操作集中在一个线程处理，避免了多线程并发问题

3. 事件顺序保证：确保蓝牙协议栈的事件按正确顺序处理

4. 实时性要求：蓝牙协议对时间敏感，专门线程可以保证及时响应

3. 运行机制

3.1 基本架构

1. 基于 MessageLoopThread 实现，这是一个封装了消息循环的线程类

2. 使用 base::OnceClosure 作为任务单元

3. 支持即时任务和延迟任务

3.2 启动与关闭

• 启动：通过 main_thread_start_up() 启动线程并尝试启用实时调度
• 关闭：通过 main_thread_shut_down() 关闭线程

1. 启动

// system/btif/src/stack_manager.cc
static void event_start_up_stack(UNUSED_ATTR void* context) {

	main_thread_start_up();

}


// system/stack/btu/btu_task.cc

static MessageLoopThread main_thread("bt_main_thread", true);

void main_thread_start_up() {
  main_thread.StartUp();
  if (!main_thread.IsRunning()) {
    LOG(FATAL) << __func__ << ": unable to start btu message loop thread.";
  }
  if (!main_thread.EnableRealTimeScheduling()) {
#if defined(OS_ANDROID)
    LOG(FATAL) << __func__ << ": unable to enable real time scheduling";
#else
    LOG(ERROR) << __func__ << ": unable to enable real time scheduling";
#endif
  }
}

• 当系统调用 开启蓝牙后， 各个profile 服务启动时，就会触发,bt_stack_manager_thread 线程调用 event_start_up_stack
• 在 event_start_up_stack 中就会 触发 main_thread_start_up ，启动 bt_main_thread 线程

2. 关闭

static void event_shut_down_stack(UNUSED_ATTR void* context){

	main_thread_shut_down();
}

void main_thread_shut_down() { main_thread.ShutDown(); }

• 同样也是 在关闭蓝牙时 bt_stack_manager_thread 线程调用 event_shut_down_stack 时触发的 关闭

3.3 任务调度

有三种主要方式将任务放入主线程执行：

1. do_in_main_thread() - 立即执行任务

2. do_in_main_thread_delayed() - 延迟执行任务

3. post_on_bt_main() - 通过闭包方式提交任务

4. 主要职责和功能

4.1 HCI 消息处理 (btu_hci_msg_process)

这是最重要的功能，处理来自蓝牙控制器的各种消息：

消息类型 (p_msg->event)	处理方式	说明
BT_EVT_TO_BTU_HCI_ACL	转发给 ACL 模块	处理 ACL 数据包 (普通蓝牙数据传输)
BT_EVT_TO_BTU_L2C_SEG_XMIT	转发给 ACL 模块	L2CAP 分段传输完成通知
BT_EVT_TO_BTU_HCI_SCO	转发给 SCO 模块	处理 SCO 数据 (语音数据)
BT_EVT_TO_BTU_HCI_EVT	处理 HCI 事件	处理来自控制器的各种事件
BT_EVT_TO_BTU_HCI_CMD	发送 HCI 命令	向控制器发送命令
BT_EVT_TO_BTU_HCI_ISO	转发给 ISO 模块	处理 LE Audio 等 ISO 数据

• system/btif/src/stack_manager.cc

static void event_init_stack(void* context) {


	bte_main_init();


}

• 当 bt_stack_manager_thread 线程调用 event_init_stack 函数时， 会触发 bte_main_init

• system/main/bte_main.cc

static void post_to_main_message_loop(const base::Location& from_here,
                                      BT_HDR* p_msg) {
  if (do_in_main_thread(from_here, base::Bind(&btu_hci_msg_process, p_msg)) !=
      BT_STATUS_SUCCESS) {
    LOG(ERROR) << __func__ << ": do_in_main_thread failed from "
               << from_here.ToString();
  }
}

void bte_main_init(void) {
  // 获取 hci 层接口
  hci = bluetooth::shim::hci_layer_get_interface();
  if (!hci) {
    LOG_ERROR("%s could not get hci layer interface.", __func__);
    return;
  }

  // 向hci 层注册 回调函数 post_to_main_message_loop
  hci->set_data_cb(base::Bind(&post_to_main_message_loop));
}

• 在 bte_main_init 函数中， 通过 hci->set_data_cb 向hci 层注册回调 post_to_main_message_loop
• 当 hci 收到数据后， 就会回调到 post_to_main_message_loop 函数。
  • 在 post_to_main_message_loop 中通过 do_in_main_thread 将 hci 执行路径切换到 bt_main_thread 线程中， 并执行 btu_hci_msg_process 函数

此时所有 hci 层上来的数据 全部在 bt_main_thread 线程中执行， 并通过 btu_hci_msg_process 函数分发到 各个子模块中。 例如 l2cap 例如 sco 例如 ISO 等， 具体处理。

• system/stack/btu/btu_task.cc

void btu_hci_msg_process(BT_HDR* p_msg) {
  /* Determine the input message type. */
  switch (p_msg->event & BT_EVT_MASK) {
    case BT_EVT_TO_BTU_HCI_ACL:
      /* All Acl Data goes to ACL */
      acl_rcv_acl_data(p_msg);
      break;

    case BT_EVT_TO_BTU_L2C_SEG_XMIT:
      /* L2CAP segment transmit complete */
      acl_link_segments_xmitted(p_msg);
      break;

    case BT_EVT_TO_BTU_HCI_SCO:
      btm_route_sco_data(p_msg);
      break;

    case BT_EVT_TO_BTU_HCI_EVT:
      btu_hcif_process_event((uint8_t)(p_msg->event & BT_SUB_EVT_MASK), p_msg);
      osi_free(p_msg);
      break;

    case BT_EVT_TO_BTU_HCI_CMD:
      btu_hcif_send_cmd((uint8_t)(p_msg->event & BT_SUB_EVT_MASK), p_msg);
      break;

    case BT_EVT_TO_BTU_HCI_ISO:
      IsoManager::GetInstance()->HandleIsoData(p_msg);
      osi_free(p_msg);
      break;

    default:
      osi_free(p_msg);
      break;
  }
}

4.2 线程管理

• 确保任务在正确的线程执行 (is_on_main_thread())

• 提供线程切换机制 (do_in_main_thread 系列函数)

4.3 模块协调

协调蓝牙协议栈各模块的工作，包括：

• BTA (Bluetooth Application Layer)

• BTIF (Bluetooth Interface)

• BTM (Bluetooth Manager)

• L2CAP

• ACL

• ISO (LE Audio)

5. 设计原因与解决的问题

5.1 为什么这样设计？

1. 简化并发控制：蓝牙协议栈涉及多个层次和模块，单线程模型避免了复杂的锁机制

2. 保证事件顺序：蓝牙协议对事件顺序敏感，单线程处理确保顺序正确

3. 实时性要求：专用线程可以优先处理蓝牙任务，满足蓝牙的实时性需求

4. 资源效率：避免了为每个模块创建单独线程的开销

5.2 解决了什么问题？

1. 竞态条件：通过单线程模型避免了多线程并发问题

2. 死锁风险：减少了模块间相互调用导致的死锁可能性

3. 事件顺序混乱：确保蓝牙协议栈事件按正确顺序处理

4. 响应延迟：专用线程可以及时响应蓝牙事件

6. 状态切换

system/stack/btu/btu_task.cc 没有直接的状态机实现，但可以理解其工作原理：

1. 事件驱动：所有状态切换都由 HCI 消息触发

2. 模块协作：主线程将消息路由到相应模块，各模块内部维护自己的状态机

3. 顺序处理：由于单线程模型，状态转换是确定性的

例如：

• 当收到连接事件时，主线程将其路由到 ACL 模块

• ACL 模块处理连接状态变化

• 可能需要通知上层 L2CAP 或应用层

• 所有状态转换都在主线程中顺序完成

7. 上下行数据处理

7.1 上行数据 (从控制器到主机)

所有上行数据都在主线程处理：

• HCI 事件

• ACL 数据

• SCO 数据

• ISO 数据

7.2 下行数据 (从主机到控制器)

大部分下行数据也通过主线程：

• HCI 命令通过主线程发送 (BT_EVT_TO_BTU_HCI_CMD)

• 数据传输完成通知 (BT_EVT_TO_BTU_L2C_SEG_XMIT)

8. 处理的具体任务

1. ACL 数据传输

   • 接收来自控制器的 ACL 数据

   • 处理分段传输完成通知

2. SCO 语音数据路由

   • 将 SCO 数据路由到语音处理模块

3. HCI 事件处理

   • 连接事件

   • 断开事件

   • 各种状态通知

4. HCI 命令发送

   • 向蓝牙控制器发送控制命令

5. ISO 数据传输 (LE Audio)

   • 处理 LE Audio 等基于 ISO 通道的数据

6. 模块间协调

   • 协调 BTA、BTIF、BTM 等模块的工作

7. 定时任务

   • 处理各种超时和延迟任务

9. 总结

bt_main_thread 是 Android Bluetooth 协议栈的核心线程，它通过单线程模型简化了蓝牙协议栈的复杂性，同时保证了事件的顺序性和实时性。它负责处理所有关键的蓝牙操作，包括数据传输、事件处理和命令发送等，是蓝牙协议栈能够正确工作的基础保障。这种设计在保证功能正确性的同时，也兼顾了性能和资源效率。