ROS机器人操作系统的实现原理（下）

注释表明Stream是个基类，输入输出流IStream和OStream都继承自它。

Stream的成员变量data_是个指针，指向序列化的字节流开始的位置，它的类型是uint8_t。

在Ubuntu系统中，uint8_t的定义是typedef unsigned char uint8_t;

所以uint8_t就是一个字节，可以用size_of()函数检验。data_指向的空间就是保存字节流的。

输出流类OStream用来序列化一个对象，它引用了serialize函数，如下。

struct OStream : public Stream
{
  static const StreamType stream_type = stream_types::Output;
  OStream(uint8_t* data, uint32_t count) : Stream(data, count) {}
  /* Serialize an item to this output stream*/
  template<typename T>
  ROS_FORCE_INLINE void next(const T& t)
{
    serialize(*this, t);
  }
  template<typename T>
  ROS_FORCE_INLINE OStream& operator<<(const T& t)
  {
    serialize(*this, t);
    return *this;
  }
};

输入流类IStream用来反序列化一个字节流，它引用了deserialize函数，如下。

struct ROSCPP_SERIALIZATION_DECL IStream : public Stream
{
  static const StreamType stream_type = stream_types::Input;
  IStream(uint8_t* data, uint32_t count) : Stream(data, count) {}
  /* Deserialize an item from this input stream */
  template<typename T>
  ROS_FORCE_INLINE void next(T& t)
{
    deserialize(*this, t);
  }
  template<typename T>
  ROS_FORCE_INLINE IStream& operator>>(T& t)
  {
    deserialize(*this, t);
    return *this;
  }
};

自然，serialize函数和deserialize函数就是改变数据形式的地方，它们的定义在比较靠前的地方。它们都接收两个模板，都是内联函数，然后里面没什么东西，只是又调用了Serializer类的成员函数write和read。所以，serialize和deserialize函数就是个二道贩子。

// Serialize an object.  Stream here should normally be a ros::serialization::OStream
template<typename T, typename Stream>
inline void serialize(Stream& stream, const T& t)
{
  Serializer

所以，我们来分析Serializer类，如下。我们发现，write和read函数又调用了类型里的serialize函数和deserialize函数。

头别晕，这里的serialize和deserialize函数跟上面的同名函数不是一回事。

注释中说：“Specializing the Serializer class is the only thing you need to do to get the ROS serialization system to work with a type”（要想让ROS的序列化功能适用于其它的某个类型，你唯一需要做的就是特化这个Serializer类）。

这就涉及到的另一个知识点——模板特化（template specialization）。

template<typename T> struct Serializer
{
  // Write an object to the stream.  Normally the stream passed in here will be a ros::serialization::OStream
  template<typename Stream>
  inline static void write(Stream& stream, typename boost::call_traits
{
    t.serialize(stream.getData(), 0);
  }
   // Read an object from the stream.  Normally the stream passed in here will be a ros::serialization::IStream
  template<typename Stream>
  inline static void read(Stream& stream, typename boost::call_traits
{
    t.deserialize(stream.getData());
  }
  // Determine the serialized length of an object.
  inline static uint32_t serializedLength(typename boost::call_traits
{
    return t.serializationLength();
  }
};

接着又定义了一个带参数的宏函数ROS_CREATE_SIMPLE_SERIALIZER(Type)，然后把这个宏作用到了ROS中的10种基本数据类型，分别是：uint8_t, int8_t, uint16_t, int16_t, uint32_t, int32_t, uint64_t, int64_t, float, double。

说明这10种数据类型的处理方式都是类似的。看到这里大家应该明白了，write和read函数都使用了memcpy函数进行数据的移动。

注意宏定义中的template<>语句，这正是模板特化的标志，关键词template后面跟一对尖括号。

关于模板特化可以看这里。

#define ROS_CREATE_SIMPLE_SERIALIZER(Type) \\
  template<> struct Serializer \\
  { \\
    template

对于其它类型的数据，例如bool、std::string、std::vector、ros::Time、ros::Duration、boost::array等等，它们各自的处理方式有细微的不同，所以不再用上面的宏函数，而是用模板特化的方式每种单独定义，这也是为什么serialization.h这个文件这么冗长。

对于int、double这种单个元素的数据，直接用上面特化的Serializer类中的memcpy函数实现序列化。

对于vector、array这种多个元素的数据类型怎么办呢？方法是分成几种情况，对于固定长度简单类型的（fixed-size simple types），还是用各自特化的Serializer类中的memcpy函数实现，没啥太大区别。

对于固定但是类型不简单的（fixed-size non-simple types）或者既不固定也不简单的（non-fixed-size, non-simple types）或者固定但是不简单的（fixed-size, non-simple types），用for循环遍历，一个元素一个元素的单独处理。

那怎么判断一个数据是不是固定是不是简单呢？这是在roscpp_traits文件夹中的message_traits.h完成的。

其中采用了萃取Type Traits，这是相对高级一点的编程技巧了，笔者也不太懂。

对序列化的介绍暂时就到这里了，有一些细节还没讲，等笔者看懂了再补。

2、消息订阅发布

2.1ROS的本质

如果问ROS的本质是什么，或者用一句话概括ROS的核心功能。那么，笔者认为ROS就是个通信库，让不同的程序节点能够相互对话。

很多文章和书籍在介绍ROS是什么的时候，经常使用“ROS是一个通信框架”这种描述。

但是笔者认为这种描述并不是太合适。“框架”是个对初学者非常不友好的抽象词汇，用一个更抽象难懂的概念去解释一个本来就不清楚的概念，对初学者起不到任何帮助。

而且笔者严重怀疑绝大多数作者能对机器人的本质或者软件框架能有什么太深的理解，他们的见解不会比你我深刻多少。

既然提到本质，那我们就深入到最基本的问题。

在接触无穷的细节之前，我们不妨先做一个哲学层面的思考。

那就是，为什么ROS要解决通信问题？

机器人涉及的东西千千万万，机械、电子、软件、人工智能无所不包，为什么底层的设计是一套用来通信的程序而不是别的东西。

到目前为止，我还没有看到有人讨论过这个问题。这要回到机器人或者智能的本质。

当我们在谈论机器人的时候，最首要的问题不是硬件设计，而是对信息的处理。一个机器人需要哪些信息，信息从何而来，如何传递，又被谁使用，这些才是最重要的问题。

人类飞不鸟，游不过鱼，跑不过马，力不如牛，为什么却自称万物之灵呢。

因为人有大脑，而且人类大脑处理的信息更多更复杂。

抛开物质，从信息的角度看，人与动物、与机器人存在很多相似的地方。

机器人由许多功能模块组成，它们之间需要协作才能形成一个有用的整体，机器人与机器人之间也需要协作才能形成一个有用的系统，要协作就离不开通信。

需要什么样的信息以及信息从何而来不是ROS首先关心的，因为这取决于机器人的应用场景。

因此，ROS首先要解决的是通信的问题，即如何建立通信、用什么方式通信、通信的格式是什么等等一系列具体问题。

带着这些问题，我们看看ROS是如何设计的。

2.2客户端库

实现通信的代码在ros_comm包中，如下。

其中clients文件夹一共有127个文件，看来是最大的包了。

现在我们来到了ROS最核心的地带。