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消息队列介绍

什么是消息队列？

消息队列的特点

消息队列的工作原理

消息队列中的常用函数

1. xQueueCreate() - 创建消息队列

2. xQueueSend() - 向队列发送数据

3. xQueueReceive() - 从队列接收数据

4. xQueueSendFromISR() / xQueueReceiveFromISR() - 中断安全版本

5. vQueueDelete() - 删除消息队列

消息队列使用示例

示例功能介绍

代码实现：

代码解释：

消息队列使用注意：

1. 队列长度和项目大小的设计

2. 阻塞行为与超时设置

3. 数据完整性与竞态条件

消息队列介绍

什么是消息队列？

简单来说，消息队列是一个可以存储有限数量、固定大小数据的缓冲区。它遵循先进先出（FIFO）的原则。任务可以将数据发送（写入）到队列中，其他任务可以从队列中接收（读取）数据。

消息队列的特点

  • 异步通信： 任务不需要同时运行。发送任务可以在数据准备好时将其放入队列，接收任务可以在任何时候从队列中取出数据。

  • 数据拷贝： 默认情况下，发送到队列中的数据是按值拷贝的。这意味着当数据被发送时，它会从发送任务的内存空间拷贝到队列的内存空间。当数据被接收时，它会从队列的内存空间拷贝到接收任务的内存空间。这种机制避免了指针传递可能带来的数据完整性问题（比如发送方在接收方读取前修改了数据）。

  • 阻塞机制：

    • 发送时阻塞： 如果队列已满，发送任务可以选择阻塞等待，直到队列中有空间可用。

    • 接收时阻塞： 如果队列为空，接收任务可以选择阻塞等待，直到队列中有数据可用。

    • 可以通过设置超时时间来限制阻塞的最长时间，防止任务无限期等待。

  • 优先级处理：

    • 正常优先级（尾部发送）： 数据通常被添加到队列的尾部。

    • 高优先级（头部发送）： FreeRTOS 也支持将数据插入队列的头部（例如 xQueueSendToFront() ），这对于需要立即处理的紧急消息很有用。

  • ISR 安全性： FreeRTOS 提供了专门的FromISR版本 API，允许在中断服务程序中安全地向队列发送数据，但不能在中断中接收数据（因为中断通常不应该阻塞）。

消息队列的工作原理

  • 创建队列： 使用 xQueueCreate() 函数创建队列。你需要指定队列能存储的最大项目数量和每个项目的大小（以字节为单位）。一旦创建，队列就会分配所需的内存。

  • 发送数据： 当一个任务想向队列发送数据时，它会调用 xQueueSend()（或 xQueueSendToFront()）。如果队列已满，并且指定了超时时间，任务会进入阻塞状态，等待队列中有空间。

  • 接收数据： 当一个任务想从队列接收数据时，它会调用 xQueueReceive()。如果队列为空，并且指定了超时时间，任务会进入阻塞状态，等待队列中有数据。

  • 任务调度： 当发送任务成功将数据放入队列，并且有任务正在等待从该队列接收数据时，等待中的接收任务（如果其优先级高于当前任务）可能会被解除阻塞并立即得到调度。同样，当接收任务成功取出数据，并且有任务正在等待向该队列发送数据时，等待中的发送任务也可能被解除阻塞。

消息队列中的常用函数

1. xQueueCreate() - 创建消息队列

这是使用消息队列的第一步，它负责分配队列所需的内存并初始化队列结构。

QueueHandle_t xQueueCreate( UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize );

  • 参数：

    • uxQueueLength：队列可以存储的最大项目（消息）数量。例如，如果你想存储 10 个整数，这里就填 10。

    • uxItemSize：队列中每个项目（消息）的大小，以字节为单位。例如，如果你要存储 int 类型，这里就填 sizeof(int)；如果你要存储一个结构体 MyStruct_t，这里就填 sizeof(MyStruct_t)。

  • 返回值：

    • QueueHandle_t：如果队列创建成功，返回一个有效的队列句柄（QueueHandle_t 类型）。这个句柄是后续所有队列操作的凭证。

    • NULL：如果因为内存不足或其他原因导致队列创建失败，则返回 NULL。

  • 使用场景：

    • 通常在系统初始化阶段（例如 main() 函数中，在调度器启动之前）调用一次，为任务间的通信准备好队列。

示例：

QueueHandle_t xMyQueue;
// 创建一个能存储5个整数的队列
xMyQueue = xQueueCreate( 5, sizeof( int ) );
if( xMyQueue == NULL )
{
    // 队列创建失败，处理错误
    printf("Error: Failed to create queue.\n");
}

2. xQueueSend() - 向队列发送数据

这个函数用于将数据发送（写入）到队列的尾部。

函数原型

BaseType_t xQueueSend( QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait );

  • 参数：

    • xQueue：要发送数据的队列的句柄，由 xQueueCreate() 返回。

    • pvItemToQueue：指向要发送数据的指针。请注意，数据是按值拷贝的，所以这里是数据的源地址。例如，如果你要发送一个整数 my_int，这里就是 &my_int。

    • xTicksToWait：如果队列已满，任务愿意等待的最长时间（以时钟节拍为单位）。

      • 0：表示不等待，如果队列满则立即返回失败。

      • portMAX_DELAY：表示无限等待，直到队列有空间可用。

      • 其他正整数：表示等待指定的时钟节拍数。

  • 返回值：

    • pdPASS：数据成功发送到队列。

    • errQUEUE_FULL：队列已满，并且等待时间已过（或设置为 0 不等待）。

  • 使用场景：

    • 生产者任务将处理好的数据发送给消费者任务。

    • 事件触发任务将事件通知发送给事件处理任务。

int my_data = 123;
// 尝试发送数据，如果队列满则等待100ms
if( xQueueSend( xMyQueue, ( void * ) &my_data, pdMS_TO_TICKS( 100 ) ) != pdPASS )
{
    printf("Failed to send data to queue.\n");
}

3. xQueueReceive() - 从队列接收数据

这个函数用于从队列的头部接收（读取）数据。

BaseType_t xQueueReceive( QueueHandle_t xQueue, void *pvBuffer, TickType_t xTicksToWait );

  • 参数：

    • xQueue：要接收数据的队列的句柄。

    • pvBuffer：指向存储接收到数据的缓冲区的指针。数据会从队列拷贝到这个地址。例如，如果你要接收一个整数到 received_int，这里就是 &received_int。

    • xTicksToWait：如果队列为空，任务愿意等待的最长时间（以时钟节拍为单位）。

      • 0：表示不等待，如果队列空则立即返回失败。

      • portMAX_DELAY：表示无限等待，直到队列有数据可用。

      • 其他正整数：表示等待指定的时钟节拍数。

  • 返回值：

    • pdPASS：数据成功从队列接收。

    • errQUEUE_EMPTY：队列为空，并且等待时间已过（或设置为 0 不等待）。

  • 使用场景：

    • 消费者任务从队列中获取数据进行处理。

    • 事件处理任务等待并响应事件。

示例：

int received_data;
// 尝试从队列接收数据，如果队列空则无限等待
if( xQueueReceive( xMyQueue, ( void * ) &received_data, portMAX_DELAY ) == pdPASS )
{
    printf("Received data: %d\n", received_data);
}

4. xQueueSendFromISR() / xQueueReceiveFromISR() - 中断安全版本

这两个函数是专门为在**中断服务程序（ISR）**中安全地操作队列而设计的。它们不能导致中断阻塞。

xQueueSendFromISR() - 向队列发送数据（中断安全）

BaseType_t xQueueSendFromISR(
    QueueHandle_t     xQueue,
    const void * pvItemToQueue,
    BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken
);

xQueueReceiveFromISR() - 从队列接收数据（中断安全）

BaseType_t xQueueReceiveFromISR(
    QueueHandle_t     xQueue,
    void * pvBuffer,
    BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken
);

这里不详细介绍这两个函数

5. vQueueDelete() - 删除消息队列

当队列不再需要时，应该调用此函数来释放其占用的内存。

void vQueueDelete( QueueHandle_t xQueue );

  • 参数：

    • xQueue：要删除的队列的句柄。

  • 返回值：

    • 无返回值（void）。

  • 使用场景：

    • 在系统关闭、模块卸载或动态创建/销毁队列的场景中，为了避免内存泄漏，需要显式删除不再使用的队列。

// 当不再需要 xMyQueue 时
vQueueDelete( xMyQueue );
xMyQueue = NULL; // 最佳实践：将句柄置为NULL，防止野指针

消息队列使用示例

示例功能介绍

关于这里的消息队列中的消息类型为结构体类型，

消息类型格式：LED灯编号(1~4)+开(1)关(0)

比如发送11，表示LED1亮起，发送30，表示LED3熄灭

注意这里发送的都是字符，并不是int类型，11表示两个字符 '1' 

代码实现：

#include "queue.h"//使用消息队列的时候需要加这个头文件

typedef struct LEDInfo
{
	uint8_t which; // LED 编号，例如 '1', '2', '3', '4'
	uint8_t state; // LED 状态，例如 '0' (关), '1' (开)
}LED_Info_t;

xQueueHandle ledQueue;   队列句柄，声明为全局变量，因为多个任务都会用到

省略了关于任务的初始化结构体部分代码

void MX_FREERTOS_Init(void) {
	ledQueue = xQueueCreate(1, sizeof(LED_Info_t));
	
	/* Create the thread(s) */
	/* creation of defaultTask */
	defaultTaskHandle = osThreadNew(StartDefaultTask, NULL, &defaultTask_attributes);

	/* USER CODE BEGIN RTOS_THREADS */
	/* add threads, ... */
	/* USER CODE END RTOS_THREADS */
	ledTaskHandle = osThreadNew(LEDTask, NULL, &ledTask_attributes);
	
	UARTTaskHandle = osThreadNew(UARTTask, "helloworld", &UARTTask_attributes);
}

void LEDTask(void *arg)
{
LED_Info_t ledInfo;
	uint8_t state;
	
	while (1)
	{
		xQueueReceive(ledQueue, &ledInfo, portMAX_DELAY);
		
		if (ledInfo.state == '0')
			state = GPIO_PIN_RESET;
		else if (ledInfo.state == '1')
			state = GPIO_PIN_SET;
		
		switch(ledInfo.which)
		{
			case '1':
				HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_10, (GPIO_PinState)state);
				break;
			case '2':
				HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_2, (GPIO_PinState)state);
				break;
			case '3':
				HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, (GPIO_PinState)state);
				break;
			case '4':
				HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, (GPIO_PinState)state);
				break;
		}
	}
}

void UARTTask(void *arg)
{
	uint8_t data[2] = {0};
	LED_Info_t ledInfo;
	
	while (1)
	{
		HAL_UART_Receive(&huart1, data, 2, HAL_MAX_DELAY);
		
		if (data[0] >= '1' && data[0] <= '4' && 
			data[1] >= '0' && data[1] <= '1')
		{
			ledInfo.which = data[0];
			ledInfo.state = data[1];
		}
		
		xQueueSend(ledQueue, &ledInfo, portMAX_DELAY);
	}
}

代码解释：

这段代码的核心功能是：

  1. UARTTask 任务：通过串口接收两个字节的命令。第一个字节代表要控制的 LED 编号（'1'到'4'），第二个字节代表 LED 的状态（'0'为关，'1'为开）。

  2. LEDTask 任务：从一个 FreeRTOS 消息队列中接收这些 LED 控制信息，并根据信息控制对应的 GPIO 引脚，从而改变 LED 的亮灭。

  3. 消息队列 ledQueue：作为 UARTTask 和 LEDTask

这段代码通过 FreeRTOS 的消息队列，建立了一个清晰且解耦的 生产者-消费者 模型：

  • UARTTask 是生产者，负责从外部（串口）获取命令。

  • LEDTask 是消费者，负责执行这些命令（控制 LED）。

  • ledQueue 是两者之间传递命令的管道，确保了通信的线程安全和任务的同步。

这种设计使得代码结构清晰，易于理解和维护。当有串口命令时，UARTTask 被唤醒处理；当有 LED 命令到达队列时，LEDTask 被唤醒执行。两者之间的阻塞机制确保了它们能协同工作，避免了忙等待，提高了系统效率。

消息队列使用注意：

1. 队列长度和项目大小的设计

  • 队列长度过小： 如果队列太短，生产者任务可能会频繁因队列满而阻塞，影响数据吞吐量。
     
  • 队列长度过大： 占用过多 RAM，在内存受限的嵌入式系统中可能导致内存不足。
     
  • 长度为 1： 这种队列常用于同步事件或传递最新状态，因为每次发送都会覆盖或等待上次的消费。它有效地将生产者和消费者解耦，但同时又确保了严格的“一对一”消息处理（即在处理完当前消息前，不能接收新消息）。

2. 阻塞行为与超时设置

portMAX_DELAY：

  • 使用 portMAX_DELAY 可以让任务无限期阻塞，直到队列操作成功。这对于消费者任务（等待数据）或关键生产者任务（必须发送数据）来说很常见，因为它避免了忙等待，节省了 CPU 周期。
     
  • 风险： 如果生产者停止发送或消费者停止接收，使用 portMAX_DELAY 的任务可能会永远阻塞。在某些场景下，这可能是死锁或系统停滞的原因。

非零超时值：

  • 通过设置一个具体的超时时间（例如 pdMS_TO_TICKS(100)），任务只会在队列满/空时等待指定的时间。
  • 优点： 避免任务无限期阻塞，可以在超时后执行替代操作（如错误处理、记录日志、重试）。
  • 缺点： 需要额外的逻辑来处理超时失败的情况。

3. 数据完整性与竞态条件

  • 数据拷贝： 队列通过拷贝数据来传递，这天然地解决了多任务访问同一数据时的竞态条件问题。一旦数据被发送到队列，发送者就可以自由地修改原始数据，而不会影响队列中的副本。
     
  • 发送指针的注意事项： 如果你选择发送指向数据的指针而不是数据本身（通过将 uxItemSize 设置为 sizeof(void *)），你需要额外注意：
     
  • 数据生命周期： 确保指针指向的数据在消费者接收并处理之前不会被发送者修改、释放或失效。这通常意味着数据必须是全局的、静态的，或通过动态分配并在消费者处理后由消费者释放。
     
  • 互斥访问： 如果多个任务可能同时修改指针指向的数据，仍需要额外的同步机制（如互斥量）来保护该共享数据。

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