更新时间:2021-07-08 GMT+08:00
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概述

基本概念

队列又称消息队列,是一种常用于任务间通信的数据结构。队列接收来自任务或中断的不固定长度消息,并根据不同的接口确定传递的消息是否存放在队列空间中。

任务能够从队列里面读取消息,当队列中的消息为空时,挂起读取任务;当队列中有新消息时,挂起的读取任务被唤醒并处理新消息。任务也能够往队列里写入消息,当队列已经写满消息时,挂起写入任务;当队列中有空闲消息节点时,挂起的写入任务被唤醒并写入消息。如果将读队列和写队列的超时时间设置为0,则不会挂起任务,接口会直接返回,这就是非阻塞模式。

消息队列提供了异步处理机制,允许将一个消息放入队列,但不立即处理。同时队列还有缓冲消息的作用。

Huawei LiteOS中使用队列实现任务异步通信,具有如下特性:

  • 消息以先进先出的方式排队,支持异步读写。
  • 读队列和写队列都支持超时机制。
  • 每读取一条消息,就会将该消息节点设置为空闲。
  • 发送消息类型由通信双方约定,可以允许不同长度(不超过队列的消息节点大小)的消息。
  • 一个任务能够从任意一个消息队列接收和发送消息。
  • 多个任务能够从同一个消息队列接收和发送消息。
  • 创建队列时所需的队列空间,默认支持接口内系统自行动态申请内存的方式,同时也支持将用户分配的队列空间作为接口入参传入的方式。

运作机制

队列控制块

typedef enum {
    OS_QUEUE_READ =0,
    OS_QUEUE_WRITE =1,
    OS_QUEUE_N_RW =2
} QueueReadWrite;

/**
  * Queue information block structure
  */
typedef struct 
{
    UINT8       *queueHandle;                    /* 队列指针 */
    UINT8       queueState;                      /* 队列状态 */
    UINT8       queueMemType;                    /* 创建队列时内存分配的方式 */
    UINT16      queueLen;                        /* 队列中消息节点个数,即队列长度 */
    UINT16      queueSize;                       /* 消息节点大小 */
    UINT32      queueID;                         /* 队列ID */
    UINT16      queueHead;                       /* 消息头节点位置(数组下标)*/
    UINT16      queueTail;                       /* 消息尾节点位置(数组下标)*/
    UINT16      readWriteableCnt[OS_QUEUE_N_RW]; /* 数组下标0的元素表示队列中可读消息数,                              
                                                    数组下标1的元素表示队列中可写消息数 */
    LOS_DL_LIST readWriteList[OS_QUEUE_N_RW];    /* 读取或写入消息的任务等待链表, 
                                                    下标0:读取链表,下标1:写入链表 */
    LOS_DL_LIST memList;                         /* CMSIS-RTOS中的MailBox模块使用的内存块链表 */
} LosQueueCB;

每个队列控制块中都含有队列状态,表示该队列的使用情况:

  • OS_QUEUE_UNUSED:队列没有被使用。
  • OS_QUEUE_INUSED:队列被使用中。

每个队列控制块中都含有创建队列时的内存分配方式:

  • OS_QUEUE_ALLOC_DYNAMIC:创建队列时所需的队列空间,由系统自行动态申请内存获取。
  • OS_QUEUE_ALLOC_STATIC:创建队列时所需的队列空间,由接口调用者自行申请后传入接口。

队列运作原理

创建队列时,创建队列成功会返回队列ID。

在队列控制块中维护着一个消息头节点位置Head和一个消息尾节点位置Tail来,用于表示当前队列中消息的存储情况。Head表示队列中被占用的消息节点的起始位置。Tail表示被占用的消息节点的结束位置,也是空闲消息节点的起始位置。队列刚创建时,Head和Tail均指向队列起始位置。

写队列时,根据readWriteableCnt[1]判断队列是否可以写入,不能对已满(readWriteableCnt[1]为0)队列进行写操作。写队列支持两种写入方式:向队列尾节点写入,也可以向队列头节点写入。尾节点写入时,根据Tail找到起始空闲消息节点作为数据写入对象,如果Tail已经指向队列尾部则采用回卷方式。头节点写入时,将Head的前一个节点作为数据写入对象,如果Head指向队列起始位置则采用回卷方式。

读队列时,根据readWriteableCnt[0]判断队列是否有消息需要读取,对全部空闲(readWriteableCnt[0]为0)队列进行读操作会引起任务挂起。如果队列可以读取消息,则根据Head找到最先写入队列的消息节点进行读取。如果Head已经指向队列尾部则采用回卷方式。

删除队列时,根据队列ID找到对应队列,把队列状态置为未使用,把队列控制块置为初始状态。如果是通过系统动态申请内存方式创建的队列,还会释放队列所占内存。

图1 队列读写数据操作示意图

上图对读写队列做了示意,图中只画了尾节点写入方式,没有画头节点写入,但是两者是类似的。

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