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TencentOS-tiny中环形队列的实现

strongerHuang 来源:Mculover666 作者:Mculover666 2021-10-08 16:30 次阅读

1. 什么是队列队列(queue)是一种只能在一端插入元素、在另一端删除元素的数据结构,遵循「先入先出」(FIFO)的规则。

队列中有两个基本概念:

队头指针(可变):永远指向此队列的第一个数据元素;

队尾指针(可变):永远指向此队列的最后一个数据元素;

队列中的数据存储方式有两种:

① 基于静态连续内存(数组)存储,如图:② 基于动态内存(链表节点)存储,如图:

后续都使用基于静态内存存储的队列讲解。

❞队列提供两个统一的操作:

「入队(enqueue)」

入队将一个元素添加到队尾,并将队尾指针+1后移,如图:

「出队(dequeue)」

出队将从队头中取出一个元素,并将队头指针+1后移,如图:

2. 环形队列2.1. 环形队列的特点

普通队列的入队操作将队尾指针后移+1,出队操作将队头指针后移+1,操作几次之后会发现队头指针和队尾指针都跑到缓冲区的尾部去了:这就导致了前面的内存空间全被浪费,如果要重新恢复使用,则需要进行元素和指针的移动:显然这种队列使用方式太不方便了,所以就诞生了环形队列:「不用搬移元素和指针,一直可以重复利用这段内存空间」。

2.2. 环形队列的实现

TencentOS-tiny中环形队列的实现在tos_ring_queue.h和tos_ring_queue.c中。

typedef struct k_ring_queue_st {

knl_obj_t knl_obj;

uint16_t head; //队头指针

uint16_t tail; //队尾指针

size_t total; //记录队列中元素的个数

uint8_t *pool; //队列底层的存储结构(一个数组)

size_t item_size; //队列中每个元素的大小,单位:字节

size_t item_cnt; //队列中可以容纳的元素数量

} k_ring_q_t;

环形队列初始化,将队头指针和队尾置0:

__API__ k_err_t tos_ring_q_create(k_ring_q_t *ring_q, void *pool, size_t item_cnt, size_t item_size)

{

//省略了参数合法性检查代码

ring_q-》head = 0u;

ring_q-》tail = 0u;

ring_q-》total = 0;

ring_q-》pool = (uint8_t *)pool;

ring_q-》item_size = item_size;

ring_q-》item_cnt = item_cnt;

return K_ERR_NONE;

}

判断环形队列是否为满或者为空:

__API__ int tos_ring_q_is_empty(k_ring_q_t *ring_q)

{

TOS_CPU_CPSR_ALLOC();

int is_empty = K_FALSE;

//省略了参数合法性检查代码

TOS_CPU_INT_DISABLE();

is_empty = (ring_q-》total == 0 ? K_TRUE : K_FALSE);

TOS_CPU_INT_ENABLE();

return is_empty;

}

__API__ int tos_ring_q_is_full(k_ring_q_t *ring_q)

{

TOS_CPU_CPSR_ALLOC();

int is_full = K_FALSE;

//省略了参数合法性检查代码

TOS_CPU_INT_DISABLE();

is_full = (ring_q-》total == ring_q-》item_cnt ? K_TRUE : K_FALSE);

TOS_CPU_INT_ENABLE();

return is_full;

}

环形队列入队操作的API如下:

__API__ k_err_t tos_ring_q_enqueue(k_ring_q_t *ring_q, void *item, size_t item_size);

在此API中,入队操作的实现如下:

__STATIC_INLINE__ void ring_q_item_increase(k_ring_q_t *ring_q)

{

ring_q-》tail = RING_NEXT(ring_q, ring_q-》tail);

++ring_q-》total;

}

环形队列出队操作的API如下:

__API__ k_err_t tos_ring_q_dequeue(k_ring_q_t *ring_q, void *item, size_t *item_size);

在此API中,出队操作的实现如下:

__STATIC_INLINE__ void ring_q_item_decrease(k_ring_q_t *ring_q)

{

ring_q-》head = RING_NEXT(ring_q, ring_q-》head);

--ring_q-》total;

}

在入队和出队操作的时候都使用了 RING_NEXT 宏,用来获取在环形队列中的下一个位置:

#define RING_NEXT(ring_q, index) ((index + 1) % ring_q-》item_cnt)

2.3. 环形队列使用Demo

编写如下的测试代码:

#include 《tos_k.h》typedef struct item_st {

int a;

int b;

int c;

} item_t;

#define RING_QUEUE_ITEM_MAX 5uint8_t ring_q_buffer[RING_QUEUE_ITEM_MAX * sizeof(item_t)];

k_ring_q_t ring_q;

void entry_task_demo(void *arg)

{

k_err_t err;

int i;

item_t item;

size_t item_size;

//创建环形队列

tos_ring_q_create(&ring_q, ring_q_buffer, RING_QUEUE_ITEM_MAX, sizeof(item_t));

//数据入队

for(i = 0;i 《 RING_QUEUE_ITEM_MAX; i++)

{

item.a = i;

item.b = i;

item.c = i;

err = tos_ring_q_enqueue(&ring_q, &item, sizeof(item_t));

if(err == K_ERR_NONE)

{

printf(“enqueue a item: %d %d %d

”, item.a, item.b, item.c);

}

else

{

printf(“ring queue enqueue fail,err = %d

”, err);

}

}

//队列满之后,继续入队

err = tos_ring_q_enqueue(&ring_q, &item, sizeof(item_t));

if(err == K_ERR_RING_Q_FULL)

{

printf(“ring queue is full: %s

”, tos_ring_q_is_full(&ring_q) ? “TRUE” : “FALSE”);

}

else

{

printf(“ring queue enqueue fail,err = %d

”, err);

}

//数据出队

for(i = 0; i 《 RING_QUEUE_ITEM_MAX; ++i)

{

err = tos_ring_q_dequeue(&ring_q, &item, &item_size);

if(err == K_ERR_NONE)

{

printf(“dequeue a item(%d bytes): %d %d %d

”, item_size, item.a, item.b, item.c);

}

else

{

printf(“ring queue dequeue fail,err = %d

”, err);

}

}

//没有数据后继续出队

err = tos_ring_q_dequeue(&ring_q, &item, &item_size);

if(err == K_ERR_RING_Q_EMPTY)

{

printf(“ring queue is empty: %s

”, tos_ring_q_is_empty(&ring_q) ? “TRUE” : “FALSE”);

}

else

{

printf(“ring queue dequeue fail,err = %d

”, err);

}

}

运行结果如下:

3. 优先级队列3.1. 优先级队列的特点

优先级队列也是一种基于队列的数据结构,但是它「不遵循FIFO」,而是按照每个元素的优先级进行出队:「最高优先级的先出队」。

3.2. 优先级队列的实现

TencentOS-tiny中环形队列的实现在tos_prio_queue.h和tos_prio_queue.c中。

优先级队列在数据入队的时候,会按照入队元素的优先级进行一次排序,「将优先级值最小(优先级最高的元素)放在队头」,出队的时候只需要取第一个元素即可。

正是因为这种特性,优先级队列的底层存储结构不能使用数组(排序太麻烦),而是使用了二项堆的数据结构。

二项堆是一种二叉树集合的数据结构,在本文中不再深入讲解,有兴趣的读者可以自己搜索阅读。

❞下面只给出优先级队列的API,「理解其规则,会用即可」。

创建优先级队列

__API__ k_err_t tos_prio_q_create(k_prio_q_t *prio_q, void *mgr_array, void *pool, size_t item_cnt, size_t item_size);

参数描述

prio_q优先级队列控制块指针

mgr_array提供一块缓冲区用于内部管理

pool队列的缓冲区

item_cnt队列可容纳的元素数量

item_size每个元素的大小,单位字节

其中用于内部管理的缓存区大小可以使用宏定义来计算,比如有5个元素的管理缓冲区大小:

uint8_t mgr_pool[TOS_PRIO_Q_MGR_ARRAY_SIZE(5)];

元素入队

__API__ k_err_t tos_prio_q_enqueue(k_prio_q_t *prio_q, void *item, size_t item_size, k_prio_t prio);

其中优先级的值遵循:数值越小,优先级越高。

元素出队

__API__ k_err_t tos_prio_q_dequeue(k_prio_q_t *prio_q, void *item, size_t *item_size, k_prio_t *prio);

其中prio需要传入一个地址,用于记录出队元素的优先级。

3.3. 优先级队列使用Demo

#include 《tos_k.h》typedef struct item_st {

int a;

int b;

int c;

} item_t;

#define PRIO_QUEUE_ITEM_MAX 5uint8_t prio_q_buffer[PRIO_QUEUE_ITEM_MAX * sizeof(item_t)];

uint8_t mgr_pool[TOS_PRIO_Q_MGR_ARRAY_SIZE(PRIO_QUEUE_ITEM_MAX)];

k_prio_q_t prio_q;

void entry_task_demo(void *arg)

{

k_err_t err;

int i;

item_t item;

size_t item_size;

k_prio_t item_prio;

//创建优先级队列

tos_prio_q_create(&prio_q, mgr_pool, prio_q_buffer, PRIO_QUEUE_ITEM_MAX, sizeof(item_t));

//数据入队

for(i = PRIO_QUEUE_ITEM_MAX;i 》 0; i--)

{

item.a = i;

item.b = i;

item.c = i;

err = tos_prio_q_enqueue(&prio_q, &item, sizeof(item), i);

if(err == K_ERR_NONE)

{

printf(“enqueue a item: %d %d %d

”, item.a, item.b, item.c);

}

else

{

printf(“prio queue enqueue fail,err = %d

”, err);

}

}

//队列满之后,继续入队

err = tos_prio_q_enqueue(&prio_q, &item, sizeof(item_t), i);

if(err == K_ERR_PRIO_Q_FULL)

{

printf(“prio queue is full: %s

”, tos_prio_q_is_full(&prio_q) ? “TRUE” : “FALSE”);

}

else

{

printf(“prio queue enqueue fail,err = %d

”, err);

}

//数据出队

for(i = 0; i 《 PRIO_QUEUE_ITEM_MAX; ++i)

{

err = tos_prio_q_dequeue(&prio_q, &item, &item_size, &item_prio);

if(err == K_ERR_NONE)

{

printf(“dequeue a item[piro %d]: %d %d %d

”, item_prio, item.a, item.b, item.c);

}

else

{

printf(“prio queue dequeue fail,err = %d

”, err);

}

}

//没有数据后继续出队

err = tos_prio_q_dequeue(&prio_q, &item, &item_size, &item_prio);

if(err == K_ERR_PRIO_Q_EMPTY)

{

printf(“prio queue is empty: %s

”, tos_prio_q_is_empty(&prio_q) ? “TRUE” : “FALSE”);

}

else

{

printf(“prio queue dequeue fail,err = %d

”, err);

}

}

4. 总结① 普通队列是一种只能在一端入队,在一端出队的数据结构,规则:FIFO。

② 环形队列对内存空间的利用率最高,使用最多,规则:FIFO。

③ 优先级队列不遵循FIFO,每个元素都有自己的优先级,规则:优先级最高的元素先出队。

责任编辑:haq

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原文标题:TencentOS-tiny中队列、环形队列、优先级队列的实现及使用

文章出处:【微信号:strongerHuang,微信公众号:strongerHuang】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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