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隊列（queue）是一種只能在一端插入元素、在另一端刪除元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，遵循先入先出（FIFO）的規(guī)則。
環(huán)形隊列（ring queue）可以方便的重復(fù)利用這段內(nèi)存空間，同樣遵循先入先出（FIFO）的規(guī)則。
優(yōu)先級隊列（prio queue）不遵循FIFO，而是根據(jù)元素的優(yōu)先級進行出隊，優(yōu)先級最高的先出隊。
「本文的所有內(nèi)容都是基于這兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)」，TencentOS-tiny中環(huán)形隊列和優(yōu)先級隊列的實現(xiàn)和使用示例請閱讀文章：
消息隊列，Message Queue，顧名思義包含兩部分：消息+隊列，或者可以理解為消息的隊列。
① 消息是什么？
兩個不同的任務(wù)之間傳遞數(shù)據(jù)時，這個數(shù)據(jù)就稱之為消息，這個消息可以是一個整型值，浮點值，甚至一個結(jié)構(gòu)體，一個指針……所以，在使用不同的RTOS的消息隊列時，「一定要注意傳遞的是值還是該值的地址」。
傳遞值的缺點是值的長度有大有小，導(dǎo)致整個消息隊列的長度有大有小。
一個指針的長度是固定的4字節(jié)，傳遞值的時候，無論值是什么類型，只傳遞該值的地址。
傳遞地址當然也有缺陷，當動態(tài)任務(wù)task1中定義了一個局部變量，然后把該局部變量的地址傳給了task2，隨即task1因為某種原因被銷毀，內(nèi)存回收，導(dǎo)致指向該局部變量的指針變?yōu)橐爸羔槪浅ＮｋU，不過不用慌，小問題，在編程的時候注意避免即可。
「在TencentOS-tiny中，消息隊列中傳遞的消息指的是地址，郵箱隊列傳遞的消息是值」。
② 隊列是什么？
消息隊列如果底層使用環(huán)形隊列存儲消息，則成為消息隊列，遵循：先送入的消息先被取出。
消息隊列如果底層使用優(yōu)先級隊列存儲消息，則成為優(yōu)先級消息隊列，遵循：優(yōu)先級最高的消息最先被取出。
「在TencentOS-tiny中，這兩種消息隊列都有，下面一一講述。」
③ pend-post機制
無論是什么隊列，都存在兩種情況：當隊列滿了的時候，元素再入隊會發(fā)生錯誤；當隊列為空的時候，元素出隊同樣會發(fā)生錯誤。
這種問題可以巧妙的在隊列基礎(chǔ)之上用pend-post機制解決，即等待-釋放機制。
當隊列「滿了」的時候，前來入隊的task1可以選擇pend一段時間或者永久等待，「一旦有元素被task2出隊」，調(diào)用post釋放一個信號，「喚醒等待中的task1」。
同樣，當隊列「空了」的時候，前來出隊的task1可以選擇pend一段時間或者永久等待，「一旦有元素被task2入隊」，調(diào)用post釋放一個信號，「喚醒等待中的task1」。
是不是很巧妙？
接下來上源碼！上Demo！一看便知~
TencentOS-tiny中消息隊列的實現(xiàn)在 tos_message_queue.h和tos_message_queue.c中。
typedef struct k_message_queue_st {
knl_obj_t knl_obj;
pend_obj_t pend_obj;
k_ring_q_t ring_q;
} k_msg_q_t;
一個pend_obj對象用來實現(xiàn)pend-post機制，一個ring_q環(huán)形隊列用來存儲消息。
是不是和我講述的沒錯？學(xué)透了之后，其實一切都沒有那么神秘的~
再來看看從消息隊列中獲取消息的API實現(xiàn)：
__API__ k_err_t tos_msg_q_pend(k_msg_q_t *msg_q, void **msg_ptr, k_tick_t timeout)
{
//省略了部分源碼
TOS_CPU_INT_DISABLE();
if (tos_ring_q_dequeue(&msg_q->ring_q, msg_ptr, K_NULL) == K_ERR_NONE) {
TOS_CPU_INT_ENABLE();
return K_ERR_NONE;
}
pend_task_block(k_curr_task, &msg_q->pend_obj, timeout);
TOS_CPU_INT_ENABLE();
knl_sched();
return err;
}
向消息隊列中存放消息的API實現(xiàn)如下：
__STATIC__ k_err_t msg_q_do_post(k_msg_q_t *msg_q, void *msg_ptr, opt_post_t opt)
{
//省略了部分源碼
TOS_CPU_INT_DISABLE();
if (pend_is_nopending(&msg_q->pend_obj)) {
err = tos_ring_q_enqueue(&msg_q->ring_q, &msg_ptr, sizeof(void*));
if (err != K_ERR_NONE) {
TOS_CPU_INT_ENABLE();
return err;
}
TOS_CPU_INT_ENABLE();
return K_ERR_NONE;
}
if (opt == OPT_POST_ONE) {
msg_q_task_recv(TOS_LIST_FIRST_ENTRY(&msg_q->pend_obj.list, k_task_t, pend_list), msg_ptr);
} else { // OPT_POST_ALL
TOS_LIST_FOR_EACH_ENTRY_SAFE(task, tmp, k_task_t, pend_list, &msg_q->pend_obj.list) {
msg_q_task_recv(task, msg_ptr);
}
}
TOS_CPU_INT_ENABLE();
knl_sched();
return K_ERR_NONE;
}
從源碼中可以看到，如果opt標志為 OPT_POST_ONE，表示喚醒一個，則喚醒該消息隊列等待列表上任務(wù)優(yōu)先級最高的那個；如果opt標志為 OPT_POST_ALL，則全部喚醒。
#define MESSAGE_MAX 10
uint8_t msg_pool[MESSAGE_MAX * sizeof(void *)];
k_msg_q_t msg_q;
void entry_task_receiver(void *arg)
{
k_err_t err;
void *msg_received;
while (K_TRUE) {
err = tos_msg_q_pend(&msg_q, &msg_received, TOS_TIME_FOREVER);
if (err == K_ERR_NONE) {
printf("receiver: msg incoming[%s]\n", (char *)msg_received);
}
}
}
void entry_task_sender(void *arg)
{
char *msg_prio_0 = "msg 0 without priority";
char *msg_prio_1 = "msg 1 without priority";
char *msg_prio_2 = "msg 2 without priority";
printf("sender: post a message 2 without priority\n");
tos_msg_q_post(&msg_q, msg_prio_2);
printf("sender: post a message 1 without priority\n");
tos_msg_q_post(&msg_q, msg_prio_1);
printf("sender: post a message 0 without priority\n");
tos_msg_q_post(&msg_q, msg_prio_0);
}
執(zhí)行結(jié)果如下：
TencentOS-tiny Port on STM32L431RCT6 By Mculover666
sender: post a message 2 without priority
sender: post a message 1 without priority
sender: post a message 0 without priority
receiver: msg incoming[msg 2 without priority]
receiver: msg incoming[msg 1 without priority]
receiver: msg incoming[msg 0 without priority]
實現(xiàn)和消息隊列類似，通過在優(yōu)先級隊列的基礎(chǔ)上加上pend-post機制來實現(xiàn)。
TencentOS-tiny中優(yōu)先級消息隊列的實現(xiàn)在tos_priority_message_queue.h和tos_priority_message_queue.c中。
typedef struct k_priority_message_queue_st {
knl_obj_t knl_obj;
pend_obj_t pend_obj;
void *prio_q_mgr_array;
k_prio_q_t prio_q;
} k_prio_msg_q_t;
其中pend_obj用于掛載等待該優(yōu)先級消息隊列的任務(wù)，prio_q和prio_q_mgr_array合起來實現(xiàn)優(yōu)先級隊列。
消息入隊和消息出隊的API實現(xiàn)與消息隊列的實現(xiàn)思想一模一樣，這里不再講解。
#define MESSAGE_MAX 10
uint8_t msg_pool[MESSAGE_MAX * sizeof(void *)];
k_prio_msg_q_t prio_msg_q;
void entry_task_receiver(void *arg)
{
k_err_t err;
void *msg_received;
while (K_TRUE) {
err = tos_prio_msg_q_pend(&prio_msg_q, &msg_received, TOS_TIME_FOREVER);
if (err == K_ERR_NONE) {
printf("receiver: msg incoming[%s]\n", (char *)msg_received);
}
}
}
void entry_task_sender(void *arg)
{
char *msg_prio_0 = "msg with priority 0";
char *msg_prio_1 = "msg with priority 1";
char *msg_prio_2 = "msg with priority 2";
printf("sender: post a message with priority 2\n");
tos_prio_msg_q_post(&prio_msg_q, msg_prio_2, 2);
printf("sender: post a message with priority 1\n");
tos_prio_msg_q_post(&prio_msg_q, msg_prio_1, 1);
printf("sender: post a message with priority 0\n");
tos_prio_msg_q_post(&prio_msg_q, msg_prio_0, 0);
}
運行結(jié)果如下：
TencentOS-tiny Port on STM32L431RCT6 By Mculover666
sender: post a message with priority 2
sender: post a message with priority 1
sender: post a message with priority 0
receiver: msg incoming[msg with priority 0]
receiver: msg incoming[msg with priority 1]
receiver: msg incoming[msg with priority 2]
將第2節(jié)的結(jié)果和第3節(jié)的結(jié)果對比，就會發(fā)現(xiàn)同樣的消息發(fā)送順序，因為使用不同的消息隊列，任務(wù)獲取到的消息順序截然不同。
消息隊列和郵箱隊列的不同之處，在于底層隊列每個元素類型不一樣，看一眼源碼便知。
消息隊列傳遞的消息是地址，所以在初始化消息隊列的時候，環(huán)形隊列中每個元素都是空指針類型：
__API__ k_err_t tos_msg_q_create(k_msg_q_t *msg_q, void *pool, size_t msg_cnt)
{
//部分源碼省略
//重點：隊列中每個元素類型大小是sizeof(void*)
err = tos_ring_q_create(&msg_q->ring_q, pool, msg_cnt, sizeof(void *));
if (err != K_ERR_NONE) {
return err;
}
return K_ERR_NONE;
}
而郵箱隊列傳遞的是值，所以在初始化底層用到的環(huán)形隊列時，每個元素的大小是由用戶指定的：
__API__ k_err_t tos_mail_q_create(k_mail_q_t *mail_q, void *pool, size_t mail_cnt, size_t mail_size)
{
//省略了部分源碼
//重點：每個元素的大小是mail_size，由用戶傳入?yún)?shù)指定
err = tos_ring_q_create(&mail_q->ring_q, pool, mail_cnt, mail_size);
if (err != K_ERR_NONE) {
return err;
}
return K_ERR_NONE;
}
這有什么好實現(xiàn)的~一個環(huán)形隊列+pend-post對象即可。
TencentOS-tiny中郵箱隊列的實現(xiàn)在tos_mail_queue.h和tos_mail_queue.c中。
typedef struct k_mail_queue_st {
knl_obj_t knl_obj;
pend_obj_t pend_obj;
k_ring_q_t ring_q;
} k_mail_q_t;
是不是沒什么區(qū)別~至于操作的API，更沒啥區(qū)別，不寫了，劃水劃水。
#define MAIL_MAX 10
typedef struct mail_st {
char *message;
int payload;
} mail_t;
uint8_t mail_pool[MAIL_MAX * sizeof(mail_t)];
k_mail_q_t mail_q;
void entry_task_receiver_higher_prio(void *arg)
{
k_err_t err;
mail_t mail;
size_t mail_size;
while (K_TRUE) {
err = tos_mail_q_pend(&mail_q, &mail, &mail_size, TOS_TIME_FOREVER);
if (err == K_ERR_NONE) {
TOS_ASSERT(mail_size == sizeof(mail_t));
printf("higher: msg incoming[%s], payload[%d]\n", mail.message, mail.payload);
}
}
}
void entry_task_receiver_lower_prio(void *arg)
{
k_err_t err;
mail_t mail;
size_t mail_size;
while (K_TRUE) {
err = tos_mail_q_pend(&mail_q, &mail, &mail_size, TOS_TIME_FOREVER);
if (err == K_ERR_NONE) {
TOS_ASSERT(mail_size == sizeof(mail_t));
printf("lower: msg incoming[%s], payload[%d]\n", mail.message, mail.payload);
}
}
}
void entry_task_sender(void *arg)
{
int i = 1;
mail_t mail;
while (K_TRUE) {
if (i == 2) {
printf("sender: send a mail to one receiver, and shoud be the highest priority one\n");
mail.message = "1st time post";
mail.payload = 1;
tos_mail_q_post(&mail_q, &mail, sizeof(mail_t));
}
if (i == 3) {
printf("sender: send a message to all recevier\n");
mail.message = "2nd time post";
mail.payload = 2;
tos_mail_q_post_all(&mail_q, &mail, sizeof(mail_t));
}
if (i == 4) {
printf("sender: send a message to one receiver, and shoud be the highest priority one\n");
mail.message = "3rd time post";
mail.payload = 3;
tos_mail_q_post(&mail_q, &mail, sizeof(mail_t));
}
if (i == 5) {
printf("sender: send a message to all recevier\n");
mail.message = "4th time post";
mail.payload = 4;
tos_mail_q_post_all(&mail_q, &mail, sizeof(mail_t));
}
tos_task_delay(1000);
++i;
}
}
運行結(jié)果為：
TencentOS-tiny Port on STM32L431RCT6 By Mculover666
sender: send a mail to one receiver, and shoud be the highest priority one
higher: msg incoming[1st time post], payload[1]
sender: send a message to all recevier
higher: msg incoming[2nd time post], payload[2]
lower: msg incoming[2nd time post], payload[2]
sender: send a message to one receiver, and shoud be the highest priority one
higher: msg incoming[3rd time post], payload[3]
sender: send a message to all recevier
higher: msg incoming[4th time post], payload[4]
lower: msg incoming[4th time post], payload[4]
此示例主要演示了兩點：1. 如何使用郵箱隊列直接傳遞值；2. 喚醒一個等待任務(wù)和喚醒所有等待任務(wù)的區(qū)別。
看到這里，這個不能再講了吧~
TencentOS-tiny中實現(xiàn)在tos_priority_mail_queue.c 和tos_priority_mail_queue.h中。
可以自己嘗試根據(jù)前面的demo，編寫出一個使用優(yōu)先級郵箱隊列的demo，測試高優(yōu)先級的郵件是否會被先收到，然后將結(jié)果與第4節(jié)的實驗結(jié)果進行對比。
越到文末我越浪，劃水已經(jīng)不能滿足了，博主要去摸魚~
按照慣例，對本文所講的內(nèi)容進行一個總結(jié)。
本文主要講述了用于任務(wù)間通信的一些內(nèi)核對象，主要有四個：消息隊列和優(yōu)先級消息隊列，郵箱隊列和優(yōu)先級郵箱隊列。
接下來列出一些重要的點：
① 「在使用RTOS中的一些用于任務(wù)間通信的量時，要注意傳遞的是值還是地址。TencentOS-tiny中消息隊列傳輸?shù)氖堑刂罚]箱隊列傳遞的是值。」
② 「消息隊列和郵箱隊列基于環(huán)形隊列實現(xiàn)，遵循FIFO規(guī)則；而優(yōu)先級消息隊列和優(yōu)先級郵箱隊列基于優(yōu)先級隊列實現(xiàn)，遵循按照元素優(yōu)先級取出的規(guī)則。」
最后來回答題目中的問題：任務(wù)間通信為什么不使用全局變量？
① 無論是消息隊列還是郵箱隊列，都是利用了全局變量可以被隨意訪問的特性，所以使用時都會被定義為全局變量。
② 普通全局變量可用于一些簡單的任務(wù)間通信場合。
③ 相較于普通全局變量，加入隊列機制可以存儲多個消息，加入pend-post機制可以擁有任務(wù)等待和喚醒的機制，用于解決隊列已滿或隊列為空的問題。
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