學習RT-Thread的消息隊列，支持不定長度消息的收發(fā)

前言

本文學習RT-Thread的消息隊列，支持不定長度消息的收發(fā)，涉及消息隊列的工作機制、消息隊列相關(guān)函數(shù)以及基于STM32的RT-Thread消息隊列應(yīng)用示例，采用RTT&正點原子聯(lián)合出品潘多拉開發(fā)板進行實驗，基于STM32L475VET6。

一、消息隊列的工作機制

消息隊列能夠接收來自線程或中斷服務(wù)例程中不固定長度的消息，并把消息緩存在自己的內(nèi)存空間中。其他線程也能夠從消息隊列中讀取相應(yīng)的消息，而當消息隊列是空的時候，可以掛起讀取線程。當有新的消息到達時，掛起的線程將被喚醒以接收并處理消息。消息隊列是一種異步的通信方式。

如下圖所示，線程或中斷服務(wù)例程可以將一條或多條消息放入消息隊列中。同樣，一個或多個線程也可以從消息隊列中獲得消息。當有多個消息發(fā)送到消息隊列時，通常將先進入消息隊列的消息先傳給線程，也就是說，線程先得到的是最先進入消息隊列的消息，即先進先出原則 (FIFO)。

消息隊列工作示意圖（來源RT-Thread編程指南）

二、消息隊列的相關(guān)函數(shù)

1、創(chuàng)建動態(tài)消息隊列函數(shù)：創(chuàng)建動態(tài)消息隊列時先從對象管理器中分配一個消息隊列對象，然后給消息隊列對象分配一塊內(nèi)存空間，組織成空閑消息鏈表，這塊內(nèi)存的大小 =[消息大小 + 消息頭（用于鏈表連接）的大小]X 消息隊列最大個數(shù)，接著再初始化消息隊列，此時消息隊列為空。創(chuàng)建動態(tài)消息隊列的函數(shù)接口如下所示：

1rt_mq_trt_mq_create(constchar*name,2rt_size_tmsg_size,3rt_size_tmax_msgs,4rt_uint8_tflag);

（1）入口參數(shù)：

name：消息隊列的名稱。msg_size：消息隊列中一條消息的最大長度，單位字節(jié)。max_msgs：消息隊列的最大個數(shù)。flag：消息隊列采用的等待方式，它可以取如下數(shù)值：RT_IPC_FLAG_FIFO或RT_IPC_FLAG_PRIO。

（2）返回值：

RT_EOK：發(fā)送成功 消息隊列對象的句柄成功。RT_NULL：失敗。

2、刪除動態(tài)消息隊列函數(shù)：當動態(tài)消息隊列不再被使用時，應(yīng)該刪除它以釋放系統(tǒng)資源，一旦操作完成，動態(tài)消息隊列將被永久性地刪除。刪除動態(tài)消息隊列時，如果有線程被掛起在該消息隊列等待隊列上，則內(nèi)核先喚醒掛起在該消息等待隊列上的所有線程（線程返回值是 - RT_ERROR），然后再釋放消息隊列使用的內(nèi)存，最后刪除消息隊列對象。函數(shù)接口如下：

1rt_err_trt_mq_delete(rt_mq_tmq);

（1）入口參數(shù)：

mq：消息隊列對象的句柄。

（2）返回值：

RT_EOK：成功。

3、創(chuàng)建靜態(tài)消息隊列函數(shù)：創(chuàng)建靜態(tài)消息隊列和《RT-Thread編程指南》所講的初始化靜態(tài)消息隊列是一樣的，靜態(tài)消息隊列對象的內(nèi)存是在系統(tǒng)編譯時由編譯器分配的，一般放于讀數(shù)據(jù)段或未初始化數(shù)據(jù)段中。消息隊列初始化后所有消息都掛在空閑消息鏈表上，消息隊列為空，函數(shù)接口如下：

1rt_err_trt_mq_init(rt_mq_tmq,2constchar*name,3void*msgpool,4rt_size_tmsg_size,5rt_size_tpool_size,6rt_uint8_tflag);

（1）入口參數(shù)：

mq：消息隊列對象的句柄。name：消息隊列的名稱。msgpool：指向存放消息的緩沖區(qū)的指針。msg_size：消息隊列中一條消息的最大長度，單位字節(jié)。pool_size：存放消息的緩沖區(qū)大小。flag：消息隊列采用的等待方式，它可以取如下數(shù)值：RT_IPC_FLAG_FIFO 或RT_IPC_FLAG_PRIO。

（2）返回值：

RT_EOK：成功。

4、刪除靜態(tài)消息隊列函數(shù)：刪除靜態(tài)消息隊列和《RT-Thread編程指南》所講的脫離消息隊列是一樣的，脫離消息隊列將使消息隊列對象被從內(nèi)核對象管理器中脫離。內(nèi)核先喚醒所有掛在該消息等待隊列對象上的線程（線程返回值是 RT_ERROR），然后將該消息隊列對象從內(nèi)核對象管理器中脫離。函數(shù)接口如下：

1rt_err_trt_mq_detach(rt_mq_tmq);

（1）入口參數(shù)：

mq：消息隊列對象的句柄。

（2）返回值：

RT_EOK：成功。

5、發(fā)送消息函數(shù)：線程或者中斷服務(wù)程序都可以給消息隊列發(fā)送消息。當發(fā)送消息時，消息隊列對象先從空閑消息鏈表上取下一個空閑消息塊，把線程或者中斷服務(wù)程序發(fā)送的消息內(nèi)容復制到消息塊上，然后把該消息塊掛到消息隊列的尾部。當且僅當空閑消息鏈表上有可用的空閑消息塊時，發(fā)送者才能成功發(fā)送消息；當空閑消息鏈表上無可用消息塊，說明消息隊列已滿，此時，發(fā)送消息的的線程或者中斷程序會收到一個錯誤碼（-RT_EFULL）。在發(fā)送一個普通消息之后，空閑消息鏈表上的隊首消息被轉(zhuǎn)移到了消息隊列尾。函數(shù)接口如下：

1rt_err_trt_mq_send(rt_mq_tmq,void*buffer,rt_size_tsize);

（1）入口參數(shù)：

mq：消息隊列對象的句柄。buffer：消息內(nèi)容。size：消息大小。

（2）返回值：

RT_EOK：成功。RT_EFULL：消息隊列已滿。RT_ERROR：失敗，表示發(fā)送的消息長度大于消息隊列中消息的最大長度。

6、發(fā)送緊急消息函數(shù)：發(fā)送緊急消息的過程與發(fā)送消息幾乎一樣，唯一的不同是，當發(fā)送緊急消息時，從空閑消息鏈表上取下來的消息塊不是掛到消息隊列的隊尾，而是掛到隊首，這樣，接收者就能夠優(yōu)先接收到緊急消息，從而及時進行消息處理。發(fā)送緊急消息的函數(shù)接口如下：

1rt_err_trt_mq_urgent(rt_mq_tmq,void*buffer,rt_size_tsize);

（1）入口參數(shù)：

mq：消息隊列對象的句柄。buffer：消息內(nèi)容。size：消息大小。

（2）返回值：

RT_EOK：成功。RT_EFULL：消息隊列已滿。RT_ERROR：失敗。

7、接收消息函數(shù)：當消息隊列中有消息時，接收者才能接收消息，否則接收者會根據(jù)超時時間設(shè)置，或掛起在消息隊列的等待線程隊列上，或直接返回。接收消息時，接收者需指定存儲消息的消息隊列對象句柄，并且指定一個內(nèi)存緩沖區(qū)，接收到的消息內(nèi)容將被復制到該緩沖區(qū)里。此外，還需指定未能及時取到消息時的超時時間。接收一個消息后消息隊列上的隊首消息被轉(zhuǎn)移到了空閑消息鏈表的尾部。函數(shù)接口如下：

1rt_err_trt_mq_recv(rt_mq_tmq,2void*buffer,3rt_size_tsize,4rt_int32_ttimeout);

（1）入口參數(shù)：

mq：消息隊列對象的句柄。buffer：消息內(nèi)容。size：消息大小。timeout：指定的超時時間。

（2）返回值：

RT_EOK：成功收到。RT_ETIMEOUT：超時。RT_ERROR：失敗，返回錯誤。

三、基于STM32的消息隊列應(yīng)用示例

前將了很多消息隊列的理論知識，光說不練都是假把式，那么接下來我們就進行實際操作，基于潘多拉開發(fā)板進行實驗。創(chuàng)建一個消息隊列和兩個線程，其中一個線程用于發(fā)送消息和發(fā)送緊急消息，另外一個線程用于接收消息。通過按下按鍵KEY0發(fā)送消息msg1，按下按鍵KEY1發(fā)送緊急消息msg2，按下按鍵KEY2接收消息，接收到消息后打印出來。

1、實現(xiàn)代碼：

1/*線程句柄*/ 2staticrt_thread_tthread1=RT_NULL; 3staticrt_thread_tthread2=RT_NULL; 4 5/*消息隊列句柄*/ 6staticrt_mq_tmsgqueue1=RT_NULL; 7 8 9/************************************************************** 10函數(shù)名稱:thread1_recv_msgqueue 11函數(shù)功能:線程1入口函數(shù)，用于接收消息 12輸入?yún)?shù):parameter：入口參數(shù) 13返回值:無 14備注:無 15**************************************************************/ 16voidthread1_recv_msgqueue(void*parameter) 17{ 18u8key; 19charbuf[64]; 20 21while(1) 22{ 23key=key_scan(0); 24 25if(key==KEY2_PRES) 26{ 27if(rt_mq_recv(msgqueue1,buf,sizeof(buf),RT_WAITING_FOREVER)==RT_EOK) 28{ 29rt_kprintf("recvmsg:%s\r\n",buf); 30} 31else 32{ 33rt_kprintf("recvmsgfailed\r\n"); 34} 35} 36 37rt_thread_mdelay(1); 38} 39} 40 41/************************************************************** 42函數(shù)名稱:thread2_send_mailbox_msg 43函數(shù)功能:線程2入口函數(shù)，用于發(fā)送消息 44輸入?yún)?shù):parameter：入口參數(shù) 45返回值:無 46備注:無 47**************************************************************/ 48voidthread2_send_msgqueue(void*parameter) 49{ 50u8key; 51rt_err_tres; 52 53while(1) 54{ 55key=key_scan(0); 56 57if(key==KEY0_PRES) 58{ 59res=rt_mq_send(msgqueue1,"msg1",sizeof("msg1")); 60 61if(res==RT_EOK) 62{ 63rt_kprintf("msgqueuesendmsg1successful\r\n"); 64} 65else 66{ 67rt_kprintf("msgqueuesendmsg1failed\r\n"); 68} 69} 70elseif(key==KEY1_PRES) 71{ 72rt_mq_urgent(msgqueue1,"msg2",sizeof("msg2")); 73 74if(res==RT_EOK) 75{ 76rt_kprintf("msgqueuesendmsg2successful\r\n"); 77} 78else 79{ 80rt_kprintf("msgqueuesendmsg2failed\r\n"); 81} 82} 83 84rt_thread_mdelay(1); 85} 86} 87 88 89voidrtthread_msgqueue_test(void) 90{ 91msgqueue1=rt_mq_create("msgqueue1", 9264,/*消息最大長度*/ 9310,/*消息隊列最大容量*/ 94RT_IPC_FLAG_FIFO);/*FIFO模式*/ 95 96if(msgqueue1!=RT_NULL) 97{ 98rt_kprintf("RT-Threadcreatemsgqueuesuccessful\r\n"); 99}100else101{102rt_kprintf("RT-Threadcreatemsgqueuefailed\r\n");103return;104}105106thread1=rt_thread_create("thread1",107thread1_recv_msgqueue,108NULL,109512,1103,11120);112113if(thread1!=RT_NULL)114{115rt_thread_startup(thread1);;116}117else118{119rt_kprintf("createthread1failed\r\n");120return;121}122123thread2=rt_thread_create("thread2",124thread2_send_msgqueue,125NULL,126512,1272,12820);129130if(thread2!=RT_NULL)131{132rt_thread_startup(thread2);;133}134else135{136rt_kprintf("createthread2failed\r\n");137return;138}139140}

2、觀察FinSH：

（1）開機，按下KEY2接收消息，沒有任何反應(yīng)，為什么呢？因為此時消息隊列為空，還沒有任何消息，輸入list_msgqueue可查看當前的消息隊列有msgqueue1，消息隊列里面有0條消息，以及掛起等待消息的線程為thread1：

（2）按下KEY0發(fā)送消息msg1，提示發(fā)送成功以及打印出接收到msg1的內(nèi)容（因為前面步驟（1）我們已經(jīng)先按下KEY2然后thread1掛起等待接收消息了，所有為直接打印出msg1）：

（3）接著連續(xù)按下10次KEY0發(fā)送消息msg1，當按下第11次時，發(fā)送消息msg1失敗，因為初始化消息隊列時最大只有支持10條消息：

（4）連續(xù)按下10次KEY2接收消息：

（5）先按下兩次KEY0發(fā)送兩次消息msg1，再按下一次KEY1發(fā)送一次緊急消息msg2：

（6）連續(xù)按下3次KEY2接收消息，先接收到的是一條msg2，再是兩條msg1（因為前面步驟2按下KEY1是發(fā)送緊急消息，所以先接收到的是msg2）：

四、消息隊列的使用場合

消息隊列可以應(yīng)用于發(fā)送不定長消息的場合，包括線程與線程間的消息交換，以及中斷服務(wù)例程中給線程發(fā)送消息（中斷服務(wù)例程不能接收消息）。

1、發(fā)送消息

（1）消息隊列和郵箱的明顯不同是消息的長度并不限定在 4 個字節(jié)以內(nèi)；另外，消息隊列也包括了一個發(fā)送緊急消息的函數(shù)接口。但是當創(chuàng)建的是一個所有消息的最大長度是 4 字節(jié)的消息隊列時，消息隊列對象將蛻化成郵箱。這個不限定長度的消息，也及時的反應(yīng)到了代碼編寫的場合上，同樣是類似郵箱的代碼：

1structmsg2{3rt_uint8_t*data_ptr;/*數(shù)據(jù)塊首地址*/4rt_uint32_tdata_size;/*數(shù)據(jù)塊大小*/5};

（2）和郵箱例子相同的消息結(jié)構(gòu)定義，假設(shè)依然需要發(fā)送這樣一個消息給接收線程。在郵箱例子中，這個結(jié)構(gòu)只能夠發(fā)送指向這個結(jié)構(gòu)的指針（在函數(shù)指針被發(fā)送過去后，接收線程能夠正確的訪問指向這個地址的內(nèi)容，通常這塊數(shù)據(jù)需要留給接收線程來釋放）。而使用消息隊列的方式則大不相同：

1voidsend_op(void*data,rt_size_tlength)2{3structmsgmsg_ptr;4msg_ptr.data_ptr=data;/*指向相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊地址*/5msg_ptr.data_size=length;/*數(shù)據(jù)塊的長度*/6/*發(fā)送這個消息指針給mq消息隊列*/7rt_mq_send(mq,(void*)&msg_ptr,sizeof(structmsg));8}

（3）注意，上面的代碼中，是把一個局部變量的數(shù)據(jù)內(nèi)容發(fā)送到了消息隊列中。在接收線程中，同樣也采用局部變量進行消息接收的結(jié)構(gòu)體：

1voidmessage_handler() 2{ 3structmsgmsg_ptr;/*用于放置消息的局部變量*/ 4 5/*從消息隊列中接收消息到msg_ptr中*/ 6if(rt_mq_recv(mq,(void*)&msg_ptr,sizeof(structmsg))==RT_EOK) 7{ 8/*成功接收到消息，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理*/ 9}10}

因為消息隊列是直接的數(shù)據(jù)內(nèi)容復制，所以在上面的例子中，都采用了局部變量的方式保存消息結(jié)構(gòu)體，這樣也就免去動態(tài)內(nèi)存分配的煩惱了（也就不用擔心，接收線程在接收到消息時，消息內(nèi)存空間已經(jīng)被釋放）。

2、同步消息

在一般的系統(tǒng)設(shè)計中會經(jīng)常遇到要發(fā)送同步消息的問題，這個時候就可以根據(jù)當時狀態(tài)的不同選擇相應(yīng)的實現(xiàn)：兩個線程間可以采用 [消息隊列 + 信號量或郵箱] 的形式實現(xiàn)。發(fā)送線程通過消息發(fā)送的形式發(fā)送相應(yīng)的消息給消息隊列，發(fā)送完畢后希望獲得接收線程的收到確認，工作示意圖如下圖所示：

同步消息示意圖（來源RT-Thread編程指南）

根據(jù)消息確認的不同，可以把消息結(jié)構(gòu)體定義成：

（1）消息采用了信號量來作為確認標志。信號量作為確認標志只能夠單一的通知發(fā)送線程，消息已經(jīng)確認接收

1structmsg 2{ 3/*消息結(jié)構(gòu)其他成員*/ 4structrt_semaphoreack; 5};

（2）消息使用了郵箱來作為確認標志，郵箱作為確認標志，代表著接收線程能夠通知一些狀態(tài)值給發(fā)送線程：