关于RTOS任务间通信和全局变量之间的区别解析

1. 知识点回顾

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。

环形队列（ring queue）可以方便的重复利用这段内存空间，同样遵循先入先出（FIFO）的规则。

优先级队列（prio queue）不遵循FIFO，而是根据元素的优先级进行出队，优先级最高的先出队。

「本文的所有内容都是基于这两个数据结构」，TencentOS-tiny中环形队列和优先级队列的实现和使用示例请阅读文章：

数据结构 | TencentOS-tiny中队列、环形队列、优先级队列的实现及使用

2. 消息队列

2.1. 什么是消息队列

消息队列，Message Queue，顾名思义包含两部分：消息+队列，或者可以理解为消息的队列。

① 消息是什么？

两个不同的任务之间传递数据时，这个数据就称之为消息，这个消息可以是一个整型值，浮点值，甚至一个结构体，一个指针……所以，在使用不同的RTOS的消息队列时，「一定要注意传递的是值还是该值的地址」。

传递值的缺点是值的长度有大有小，导致整个消息队列的长度有大有小。

一个指针的长度是固定的4字节，传递值的时候，无论值是什么类型，只传递该值的地址。

传递地址当然也有缺陷，当动态任务task1中定义了一个局部变量，然后把该局部变量的地址传给了task2，随即task1因为某种原因被销毁，内存回收，导致指向该局部变量的指针变为野指针，非常危险，不过不用慌，小问题，在编程的时候注意避免即可。

「在TencentOS-tiny中，消息队列中传递的消息指的是地址，邮箱队列传递的消息是值」。

② 队列是什么？

消息队列如果底层使用环形队列存储消息，则成为消息队列，遵循：先送入的消息先被取出。

消息队列如果底层使用优先级队列存储消息，则成为优先级消息队列，遵循：优先级最高的消息最先被取出。

「在TencentOS-tiny中，这两种消息队列都有，下面一一讲述。」

③ pend-post机制

无论是什么队列，都存在两种情况：当队列满了的时候，元素再入队会发生错误；当队列为空的时候，元素出队同样会发生错误。

这种问题可以巧妙的在队列基础之上用pend-post机制解决，即等待-释放机制。

当队列「满了」的时候，前来入队的task1可以选择pend一段时间或者永久等待，「一旦有元素被task2出队」，调用post释放一个信号，「唤醒等待中的task1」。

同样，当队列「空了」的时候，前来出队的task1可以选择pend一段时间或者永久等待，「一旦有元素被task2入队」，调用post释放一个信号，「唤醒等待中的task1」。

是不是很巧妙？

接下来上源码！上Demo！一看便知~

2.2. 消息队列的实现

TencentOS-tiny中消息队列的实现在 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;

一个pend_obj对象用来实现pend-post机制，一个ring_q环形队列用来存储消息。

是不是和我讲述的没错？学透了之后，其实一切都没有那么神秘的~

再来看看从消息队列中获取消息的API实现：

__API__ k_err_t tos_msg_q_pend（k_msg_q_t *msg_q， void **msg_ptr， k_tick_t timeout）

{

//省略了部分源码

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;

}

向消息队列中存放消息的API实现如下：

__STATIC__ k_err_t msg_q_do_post（k_msg_q_t *msg_q， void *msg_ptr， opt_post_t opt）

{

//省略了部分源码

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;

}

从源码中可以看到，如果opt标志为 OPT_POST_ONE，表示唤醒一个，则唤醒该消息队列等待列表上任务优先级最高的那个；如果opt标志为 OPT_POST_ALL，则全部唤醒。

2.3. 消息队列的使用示例

#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］

”， （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

”）;

tos_msg_q_post（&msg_q， msg_prio_2）;

printf（“sender： post a message 1 without priority

”）;

tos_msg_q_post（&msg_q， msg_prio_1）;

printf（“sender： post a message 0 without priority

”）;

tos_msg_q_post（&msg_q， msg_prio_0）;

}

执行结果如下：

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］

3. 优先级消息队列3.1. 优先级消息队列的实现

实现和消息队列类似，通过在优先级队列的基础上加上pend-post机制来实现。

TencentOS-tiny中优先级消息队列的实现在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用于挂载等待该优先级消息队列的任务，prio_q和prio_q_mgr_array合起来实现优先级队列。

消息入队和消息出队的API实现与消息队列的实现思想一模一样，这里不再讲解。

3.2. 优先级消息队列的使用示例

#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］

”， （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

”）;

tos_prio_msg_q_post（&prio_msg_q， msg_prio_2， 2）;

printf（“sender： post a message with priority 1

”）;

tos_prio_msg_q_post（&prio_msg_q， msg_prio_1， 1）;

printf（“sender： post a message with priority 0

”）;

tos_prio_msg_q_post（&prio_msg_q， msg_prio_0， 0）;

}

运行结果如下：

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］

❝

将第2节的结果和第3节的结果对比，就会发现同样的消息发送顺序，因为使用不同的消息队列，任务获取到的消息顺序截然不同。

4. 邮箱队列

4.1. 不同之处

消息队列和邮箱队列的不同之处，在于底层队列每个元素类型不一样，看一眼源码便知。

消息队列传递的消息是地址，所以在初始化消息队列的时候，环形队列中每个元素都是空指针类型：

__API__ k_err_t tos_msg_q_create（k_msg_q_t *msg_q， void *pool， size_t msg_cnt）

{

//部分源码省略

//重点：队列中每个元素类型大小是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;

}

而邮箱队列传递的是值，所以在初始化底层用到的环形队列时，每个元素的大小是由用户指定的：

__API__ k_err_t tos_mail_q_create（k_mail_q_t *mail_q， void *pool， size_t mail_cnt， size_t mail_size）

{

//省略了部分源码

//重点：每个元素的大小是mail_size，由用户传入参数指定

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;

}

4.2. 邮箱队列的实现

这有什么好实现的~一个环形队列+pend-post对象即可。

TencentOS-tiny中邮箱队列的实现在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;

是不是没什么区别~至于操作的API，更没啥区别，不写了，划水划水。

4.3. 邮箱队列的使用示例

#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］

”， 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］

”， 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

”）;

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

”）;

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

”）;

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

”）;

mail.message = “4th time post”;

mail.payload = 4;

tos_mail_q_post_all（&mail_q， &mail， sizeof（mail_t））;

}

tos_task_delay（1000）;

++i;

}

}

运行结果为：

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］

此示例主要演示了两点：1. 如何使用邮箱队列直接传递值；2. 唤醒一个等待任务和唤醒所有等待任务的区别。

5. 优先级邮箱队列

看到这里，这个不能再讲了吧~

TencentOS-tiny中实现在tos_priority_mail_queue.c 和tos_priority_mail_queue.h中。

可以自己尝试根据前面的demo，编写出一个使用优先级邮箱队列的demo，测试高优先级的邮件是否会被先收到，然后将结果与第4节的实验结果进行对比。

越到文末我越浪，划水已经不能满足了，博主要去摸鱼~

6. 总结

按照惯例，对本文所讲的内容进行一个总结。

本文主要讲述了用于任务间通信的一些内核对象，主要有四个：消息队列和优先级消息队列，邮箱队列和优先级邮箱队列。

接下来列出一些重要的点：

① 「在使用RTOS中的一些用于任务间通信的量时，要注意传递的是值还是地址。TencentOS-tiny中消息队列传输的是地址，而邮箱队列传递的是值。」

② 「消息队列和邮箱队列基于环形队列实现，遵循FIFO规则；而优先级消息队列和优先级邮箱队列基于优先级队列实现，遵循按照元素优先级取出的规则。」

最后来回答题目中的问题：任务间通信为什么不使用全局变量？

① 无论是消息队列还是邮箱队列，都是利用了全局变量可以被随意访问的特性，所以使用时都会被定义为全局变量。

② 普通全局变量可用于一些简单的任务间通信场合。

③ 相较于普通全局变量，加入队列机制可以存储多个消息，加入pend-post机制可以拥有任务等待和唤醒的机制，用于解决队列已满或队列为空的问题。
编辑：lyn