RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)

讲完了线程同步的机制,我们要开始线程通讯的学习, 线程通讯中的邮箱消息队列也属于 RT-Thread 的IPC机制。


目录
  • 前言
  • 一、邮箱
    • 1.1 邮箱控制块
    • 1.2 邮箱操作
      • 1.2.1 创建和删除
      • 1.2.2 初始化和脱离
      • 1.2.3 发送邮件
      • 1.2.4 接收邮件
    • 1.3 示例(指针传递)
      • 1.3.1 邮箱消息传递
      • 1.3.2 邮箱个数示例
  • 二、消息队列
    • 2.1 消息队列控制块
    • 2.2 消息队列操作
      • 2.2.1 创建和删除
      • 2.2.2 初始化和脱离
      • 2.2.3 发送消息
      • 2.2.4 接收消息
    • 2.3 消息队列原理简析
    • 2.4 示例(消息队列原理理解)
      • 2.4.1 理解消息队列原理
      • 2.4.2 消息传递
  • 结语

前言 与上篇文章的介绍的信号量、互斥量和事件集,邮箱、消息队列同样为 RT-Thread IPC机制。但是信号量它们属于线程同步机制,并不能在线程之间传递消息,我们本文介绍的 邮箱、消息队列就是实现线程间消息传递的机制。
相对于上一篇文章的内容,线程通讯的学习会相对复杂些,因为涉及到消息的传递,消息在实际项目中的可能存在多种不同的情况,所以 邮箱和消息队列的使用场景和方式是关键,尤其是消息队列。基本上实际项目中的所有消息类型都可以使用消息队列的方式。消息队列应用于串口通信我会单独用一篇博文来说明,本文先做基础介绍和基本示例的讲解。
本 RT-Thread 专栏记录的开发环境:
RT-Thread记录(一、RT-Thread 版本、RT-Thread Studio开发环境 及 配合CubeMX开发快速上手)

一、邮箱 RT-Thread 中的邮件是线程、中断服务、定时器向线程发送消息的有效手段(中断和定时器需要非阻塞方式,不能等待发送,也不能接收)。
邮箱中的每一封邮件只能容纳固定的 4 字节内容(32位内核正好可以传递一个指针)。
邮箱特点 RAM空间占用少,效率较高。
RT-Thread 有点类似 FreeRTOS 的任务通知,同样的只能传递4个字节内容。
但是 FreeRTOS 的任务通知是属于任务自己的,每个任务有且只有一个通知,
而 RT-Thread 的邮箱由邮箱控制块统一管理,新建一个邮箱,可以包含多封邮件(每封4个字节)。

1.1 邮箱控制块 老规矩用源码,解释看注释(使用起来也方便复制 ~ ~!)
#ifdef RT_USING_MAILBOX /** * mailbox structure */ struct rt_mailbox { struct rt_ipc_object parent; /**< inherit from ipc_object */ rt_ubase_t*msg_pool; /**< 邮箱缓冲区的开始地址*/ rt_uint16_tsize; /**< 邮箱缓冲区的大小*/ rt_uint16_tentry; /**< 邮箱中邮件的数目 */ rt_uint16_tin_offset; /**< 邮箱缓冲的入口指针 */ rt_uint16_tout_offset; /**< 邮箱缓冲的出口指针 */ rt_list_tsuspend_sender_thread; /**< 发送线程的挂起等待队列 */ }; typedef struct rt_mailbox *rt_mailbox_t; #endif

1.2 邮箱操作 1.2.1 创建和删除
同以前的线程那些一样,动态的方式,先定义一个邮箱结构体的指针变量,接收创建好的句柄。
创建邮箱:
/** 参数的含义: 1、name邮箱名称 2、size邮箱容量(就是多少封邮件,4的倍数) 3、flag邮箱标志,它可以取如下数值: RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO 返回值: RT_NULL创建失败 邮箱对象的句柄创建成功 */ rt_mailbox_t rt_mb_create(const char *name, rt_size_t size, rt_uint8_t flag)

最后的 flag 和信号量一样建议 RT_IPC_FLAG_PRIO
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

删除邮箱:

/** 参数的含义: mb邮箱对象的句柄 返回 RT_EOK成功 */ rt_err_t rt_mb_delete(rt_mailbox_t mb)

1.2.2 初始化和脱离
静态的方式,先定义一个邮箱结构体,然后对他进行初始化。
这里要注意,还要定义一个数组,用来做邮箱的内存空间,和静态初始化线程一样。
初始化邮箱:
/** 参数含义: 1、mb邮箱对象的句柄,需要取自定义的结构体地址 2、name邮箱名称 3、msgpool缓冲区指针(用户自定义的数组的地址,第一个数组元素的地址) 4、size邮箱容量(就是数组的大小/4) 5、flag邮箱标志,它可以取如下数值: RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO 返回 RT_EOK成功 */ rt_err_t rt_mb_init(rt_mailbox_t mb, const char*name, void*msgpool, rt_size_tsize, rt_uint8_tflag)

脱离邮箱:
/** 参数的含义: mb邮箱对象的句柄 返回 RT_EOK成功 */ rt_err_t rt_mb_detach(rt_mailbox_t mb)

1.2.3 发送邮件
在 RT-Thread 中发送邮件分为 有无等待方式发送邮件,以及发送紧急邮件。
在我建的工程版本中,并没有发送紧急邮件函数了,这里按照工程源码来说明,就不介绍发送紧急邮件的函数了,在一般的 STM32 应用中,个人认为紧急邮件有没有都没有影响!
无等待方式适用于所有的线程和中断,等待方式不能用于中断中!
无等待发送邮件:
/** 参数: 1、mb邮箱对象的句柄 2、value邮件内容 返回 RT_EOK发送成功 -RT_EFULL邮箱已经满了 看函数原型,其实就是把等待方式发送的时间改成了0 */ rt_err_t rt_mb_send(rt_mailbox_t mb, rt_ubase_t value) { return rt_mb_send_wait(mb, value, 0); }

无等待发送其实就是使用等待方式发送邮件,等待时间为0:。
等待方式发送邮件:
/** 参数: 1、mb邮箱对象的句柄 2、value邮件内容 3、timeout超时时间 返回: RT_EOK发送成功 -RT_ETIMEOUT超时 -RT_ERROR失败,返回错误 */ rt_err_t rt_mb_send_wait(rt_mailbox_t mb, rt_ubase_tvalue, rt_int32_ttimeout)

1.2.4 接收邮件
接收邮件时,除了指定接收邮件的邮箱句柄,并指定接收到的邮件存放位置(需要有一个变量来保存接收到的数据)。
/** 参数含义: 1、mb邮箱对象的句柄,从哪个邮件控制块取邮件 2、value邮件内容,需要用一个变量保存 3、timeout超时时间 返回值: RT_EOK接收成功 -RT_ETIMEOUT超时 -RT_ERROR失败,返回错误 */ rt_err_t rt_mb_recv(rt_mailbox_t mb, rt_ubase_t *value, rt_int32_t timeout)

1.3 示例(指针传递) 2个示例,第一个是正常的消息传递,第二个是与邮箱创建个数有关的引导示例。
1.3.1 邮箱消息传递
前面说到过,邮箱中的每一封邮件只能容纳固定的 4 字节内容,但是4字节可以传递指针,我们分别做个简单的演示。
示例中,我们使用两个不同的按键来发送邮件,通过一个事件来接收邮件,并打印收到的邮件内容。
按键key3,发送4字节的内容,按键Key2,发送一个字符串指针:
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

邮件创建:
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

在接收线程中,我们打印出接收到的数值:
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

测试结果,两个按键按下,线程不仅能收到直接传过来的4字节数据,还能通过传递的指针发送一个字符串:
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

1.3.2 邮箱个数示例
在上面的例子中,我们开始创建的邮箱大小就一个,我们测试下,如果没有线程接收,是不是就会打印邮箱满的消息,我们把线程接收邮箱代码注释掉,其他还是和前面测试一样:
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

我们再来改一下,使用一个按键测试一下这个 size 是字节呢,还是直接是邮件个数,直接看图说明:
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

在静态初始化邮件时候,我们需要注意我们开辟的空间大小,需要是4的倍数,我们一般都是用数组除以4直接表示邮箱的size大小,如下:
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

RT-Thread 是通过控制块来管理这些IPC机制,在实际测试中,为了加深对某个对象的理解,比如这里的邮箱,可以直接打印出邮箱的参数来查看当前邮箱的状态。学会测试!!!
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

二、消息队列 消息队列能够接收来自线程或中断服务例程中不固定长度的消息,并把消息缓存在自己的内存空间中。
消息队列和邮箱的区别是长度并不限定在 4 个字节以内,但是如果如果把消息队列的每条消息的最大字节规定在4个字节以内,那么消息队列就和邮箱一样了。
典型应用,使用串口接收不定长数据(后期会单独有博文介绍消息队列在串口接收上的应用)。
2.1 消息队列控制块 消息队列控制块的这些属性,我们等会用示例来打印出来看,加深一下对这些属性的认识。
#ifdef RT_USING_MESSAGEQUEUE /** * message queue structure */ struct rt_messagequeue { struct rt_ipc_object parent; /**< inherit from ipc_object */void*msg_pool; /**< 消息队列的开始地址 */rt_uint16_tmsg_size; /**< 每个消息长度 */ rt_uint16_tmax_msgs; /**< 最大的消息数量 */rt_uint16_tentry; /**< 已经有的消息数 */void*msg_queue_head; /**< list head 链表头 */ void*msg_queue_tail; /**< list tail 链表尾*/ void*msg_queue_free; /**< 空闲消息链表 */rt_list_tsuspend_sender_thread; /**< 挂起的发送线程 */ }; typedef struct rt_messagequeue *rt_mq_t; #endif

2.2 消息队列操作 2.2.1 创建和删除
先定义一个邮箱结构体的指针变量,接收创建好的句柄。
创建消息队列:
/** 参数: 1、name消息队列的名称 2、msg_size消息队列中一条消息的最大长度,单位字节 3、max_msgs消息队列的最大个数 4、flag消息队列采用的等待方式,它可以取如下数值: RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO 返回: RT_EOK发送成功 消息队列对象的句柄成功 RT_NULL失败 */ rt_mq_t rt_mq_create(const char *name, rt_size_tmsg_size, rt_size_tmax_msgs, rt_uint8_tflag)

注意!msg_size 单位是字节,在32位系统中 RT-Thread 默认#define RT_ALIGN_SIZE 4 ,所以如果 msg_size 不是4字节对齐,系统会自动补全。
【RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)】比如用户定义为9,那么系统会自动把消息队列大小设置为 12,定义为1,设置为4。
还有flag的使用,依然得注意一下,和邮箱信号量等一样,注意实时性问题。
删除消息队列:
/** 参数 mq消息队列对象的句柄 返回 RT_EOK成功 */ rt_err_t rt_mq_delete(rt_mq_t mq)

2.2.2 初始化和脱离
静态的方式,先定义一个消息队列结构体,然后对他进行初始化。
初始化消息队列:
/** 参数: 1、mq消息队列对象的句柄,需要取自定义的结构体地址 2、name名称 3、msgpool存放消息的地址 4、msg_size消息队列中一条消息的最大长度,单位字节 5、pool_size存放消息的缓冲区大小 6、flag消息队列采用的等待方式, 返回: RT_EOK成功 */ rt_err_t rt_mq_init(rt_mq_tmq, const char *name, void*msgpool, rt_size_tmsg_size, rt_size_tpool_size, rt_uint8_tflag)

脱离消息队列:
/** 参数: mq消息队列对象的句柄 返回: RT_EOK成功 */ rt_err_t rt_mq_detach(rt_mq_t mq)

2.2.3 发送消息
和邮件一样,在 RT-Thread 中发送邮件分为 有无等待方式发送,以及紧急消息发送。
无等待方式适用于所有的线程和中断,等待方式不能用于中断中!
无等待发送消息:
/** 看函数原型,其实就是把等待方式发送的时间改成了0 参数: 1、mq消息队列对象的句柄 2、buffer消息内容 3、size消息大小 返回: RT_EOK成功 -RT_EFULL消息队列已满 -RT_ERROR失败,表示发送的消息长度大于消息队列中消息的最大长度 */ rt_err_t rt_mq_send(rt_mq_t mq, const void *buffer, rt_size_t size) { return rt_mq_send_wait(mq, buffer, size, 0); }

等待方式发送邮件:
/** 除了最后多一个时间,其他参数,和上面无等待方式一样 timeout超时时间(时钟节拍) */ rt_err_t rt_mq_send_wait(rt_mq_tmq, const void *buffer, rt_size_tsize, rt_int32_ttimeout)

发送紧急消息:
/** 参数: 1、mq消息队列对象的句柄 2、buffer消息内容 3、size消息大小 返回: RT_EOK成功 -RT_EFULL消息队列已满 -RT_ERROR失败 */ rt_err_t rt_mq_urgent(rt_mq_t mq, const void *buffer, rt_size_t size)

2.2.4 接收消息
接收消息时,接收者需指定存储消息的消息队列对象句柄,并且指定一个内存缓冲区,接收到的消息内容将被复制到该缓冲区里。
/** 参数: mq消息队列对象的句柄 buffer消息内容 size消息大小 timeout指定的超时时间 返回: RT_EOK成功收到 -RT_ETIMEOUT超时 -RT_ERROR失败,返回错误 */ rt_err_t rt_mq_recv(rt_mq_tmq, void*buffer, rt_size_tsize, rt_int32_t timeout)

2.3 消息队列原理简析 消息队列控制块:
要理解 消息队列 的原理,就得从他初始化的状态开始说起:
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

发送消息,其实所有的步骤都是在rt_mq_send_wait函数中的,再次强调,学会看源码!
关键的几个地方说明一下:
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

当然这里没有特意的说明等待时间问题,因为发送和接收都可以阻塞等待,这里不是要理解的重点。
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

发送完完成以后如果发现有线程在等待消息队列,会发生一次调度:
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

接收消息,其实类似,可以自己查看源码,试着分析。
对于上述过程的理解,我单独写了个例子,结合例子去理解上面的步骤,更加直观!请看下面 理解消息队列原理示例。
2.4 示例(消息队列原理理解) 2个示例,第一个为了更加直观的理解消息队列原理,第二个是简单的消息传递。
对于典型的串口接收不定长度数据的示例,我会单独使用一篇文章来介绍。
2.4.1 理解消息队列原理
我们在上面 《2.3 消息队列原理简析》 分析了一下消息队列的原理,我们再来通过一个例子直观的加深一下理解。
新建一个消息队列(注意新建时候的参数):
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

我们2个按键,通过Key2按键发送消息:
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

通过 Key3 打印 消息队列 对应的状态值:
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

我们测试的时候,通过观察消息队列初始化以后的状态,然后每次发送以后观察 head,tail,free的变化情况,加深我们对消息队列的理解:
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

通过上面的示例再去理解消息队列的原理,就很直观了,如果有消息接收,观察地址的变化,同样的可以分析出接收消息时候的原理。
2.4.2 消息传递
消息传递相对来说,就简单多了,直接在上面的基础上,新建一个任务接收消息(因为没有做长度识别,这里没有做解析):
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

还是通过上面的Key2按键发送消息:
RT-Thread|RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)
文章图片

结语 本文虽然只介绍了2个IPC机制,但是在项目中,它们的使用无处不在。
消息队列的应用在我们实际使用中,是很重要的,串口通信接收数据就是使用消息队列来实现。对于消息队列的串口应用,我会单独开一片博文来总结。
本文针对消息队列的实现原理给出了很好的示例,还是那句话,学会多看源码,多动手测试!
博主会用心写好每一篇博文,希望大家支持!谢谢!

    推荐阅读