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作者 | strongerHuang
微信公众号 | 嵌入式专栏
单片机开发过程中通常会用到“消息队列”，一般实现的方法有多种。本文给大家分享一下队列实现的原理和机制。这里先给大家推荐一个嵌入式招聘信息的平台：
环形队列是在实际编程极为有用的数据结构，它是一个首尾相连的FIFO的数据结构，采用数组的线性空间，数据组织简单，能很快知道队列是否满为空，能以很快速度的来存取数据。环形队列通常用于通信领域，比如UART、USB、CAN、网络等。内存上没有环形的结构，因此环形队列实上是数组的线性空间来实现。当数据到了尾部它将转回到0位置来处理。因此环列队列的逻辑：将数组元素q[0]与q[MAXN-1]连接，形成一个存放队列的环形空间。为了方便读写，还要用数组下标来指明队列的读写位置。head/tail.其中head指向可以读的位置，tail指向可以写的位置。环形队列的关键是判断队列为空，还是为满。当tail追上head时，队列为满时；当head追上tail时，队列为空。但如何知道谁追上谁，还需要一些辅助的手段来判断.b.限制tail赶上head，即队尾结点与队首结点之间至少留有一个元素的空间。- 队列满： (tail+1)% MAXN ==head
typedef struct ringq{ int head; int tail; int tag ; int size ; int space[RINGQ_MAX]; }RINGQ;
q->head = q->tail = q->tag = 0;
( q->head == q->tail) && (q->tag == 0)
((q->head == q->tail) && (q->tag == 1))
q->tail = (q->tail + 1) % q->size ;
q->head = (q->head + 1) % q->size
#ifndef __RINGQ_H__#define __RINGQ_H__
#ifdef __cplusplusextern "C" {#endif
#define QUEUE_MAX 20
typedef struct ringq{ int head; int tail; int tag ; int size ; int space[QUEUE_MAX]; }RINGQ;
extern int ringq_init(RINGQ * p_queue);
extern int ringq_free(RINGQ * p_queue);
extern int ringq_push(RINGQ * p_queue,int data);
extern int ringq_poll(RINGQ * p_queue,int *p_data);
#define ringq_is_empty(q) ( (q->head == q->tail) && (q->tag == 0))
#define ringq_is_full(q) ( (q->head == q->tail) && (q->tag == 1))
#define print_ringq(q) printf("ring head %d,tail %d,tag %d\n", q->head,q->tail,q->tag);#ifdef __cplusplus}#endif
#endif
int ringq_init(RINGQ * p_queue){ p_queue->size = QUEUE_MAX ;
p_queue->head = 0; p_queue->tail = 0;
p_queue->tag = 0;
return 0;}
int ringq_free(RINGQ * p_queue){ return 0;}
int ringq_push(RINGQ * p_queue,int data){ print_ringq(p_queue);
if(ringq_is_full(p_queue)) {
printf("ringq is full\n"); return -1; }
p_queue->space[p_queue->tail] = data;
p_queue->tail = (p_queue->tail + 1) % p_queue->size ;
if(p_queue->tail == p_queue->head) { p_queue->tag = 1; }
return p_queue->tag ; }
int ringq_poll(RINGQ * p_queue,int * p_data){ print_ringq(p_queue); if(ringq_is_empty(p_queue)) {
printf("ringq is empty\n"); return -1; }
*p_data = p_queue->space[p_queue->head];
p_queue->head = (p_queue->head + 1) % p_queue->size ;
if(p_queue->tail == p_queue->head) { p_queue->tag = 0; } return p_queue->tag ;}
看到源代码，相信大家就明白其中原理了。其实还有不采用tag，或者其他一些标志的方法，这里就不进一步展开讲述了，感兴趣的读者可以自行研究一下。在RTOS中基本都有消息队列这个组件，也是使用最常见的组件之一。消息队列是一种常用于任务间通信的数据结构，队列可以在任务与任务间、中断和任务间传递信息，实现了任务接收来自其他任务或中断的不固定长度的消息。通过消息队列服务，任务或中断服务程序可以将一条或多条消息放入消息队列中。同样，一个或多个任务可以从消息队列中获得消息。- 消息支持后进先出方式排队，往队首发送消息（LIFO）。
- 可以允许不同长度（不超过队列节点最大值）的任意类型消息。
这里以 FreeRTOS 为例进行说明。FreeRTOS 的消息队列控制块由多个元素组成，当消息队列被创建时，系统会为控制块分配对应的内存空间，用于保存消息队列的一些信息如消息的存储位置，头指针 pcHead、尾指针 pcTail、消息大小 uxItemSize 以及队列长度 uxLength 等。xQueue = xQueueCreate(QUEUE_LEN, QUEUE_SIZE);
任务或者中断服务程序都可以给消息队列发送消息，当发送消息时，如果队列未满或者允许覆盖入队，FreeRTOS 会将消息拷贝到消息队列队尾，否则，会根据用户指定的阻塞超时时间进行阻塞，在这段时间中，如果队列一直不允许入队，该任务将保持阻塞状态以等待队列允许入队。当其它任务从其等待的队列中读取入了数据（队列未满），该任务将自动由阻塞态转移为就绪态。当等待的时间超过了指定的阻塞时间，即使队列中还不允许入队，任务也会自动从阻塞态转移为就绪态，此时发送消息的任务或者中断程序会收到一个错误码 errQUEUE_FULL。发送紧急消息的过程与发送消息几乎一样，唯一的不同是，当发送紧急消息时， 发送的位置是消息队列队头而非队尾，这样，接收者就能够优先接收到紧急消息，从而及时进行消息处理。当某个任务试图读一个队列时，其可以指定一个阻塞超时时间。在这段时间中，如果队列为空，该任务将保持阻塞状态以等待队列数据有效。当其它任务或中断服务程序往其等待的队列中写入了数据，该任务将自动由阻塞态转移为就绪态。当等待的时间超过了指定的阻塞时间，即使队列中尚无有效数据，任务也会自动从阻塞态转移为就绪态。当消息队列不再被使用时，应该删除它以释放系统资源，一旦操作完成， 消息队列将被永久性的删除。出队阻塞：当且仅当消息队列有数据的时候，任务才能读取到数据，可以指定等待数据的阻塞时间。入队阻塞：当且仅当队列允许入队的时候，发送者才能成功发送消息；队列中无可用消息空间时，说明消息队列已满，此时，系统会根据用户指定的阻塞超时时间将任务阻塞。假如有多个任务阻塞在一个消息队列中，那么这些阻塞的任务将按照任务优先级进行排序，优先级高的任务将优先获得队列的访问权。通过以上分析，你会发现“环形队列”和“消息队列”之间有很多共同点：1.他们都是一种数据结构，结构中都包含头、尾、标志等信息；2.它们都是分配一块连续的内存空间，且都可以分配多个队列。3.应用场景类似，有大量吞吐数据的情况下，比如通信领域。1.“环形队列”可以独立使用，也可以结合操作系统使用。而消息队列依赖RTOS（有些RTOS的参数信息）。2.“环形队列”占用资源更小，更适合于资源较小的系统中。3.“消息队列”结合RTOS应用更加灵活，比如延时、中断传输数据等。最后，这两种队列应用都比较广，建议抽空都研究一下。
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