LiteOS 消息队列

参考：【野火】物联网操作系统 LiteOS 开发实战指南

3 LiteOS消息队列

3.1 消息队列简介

1. 消息队列是一种常用于任务间通信的数据结构
2. 可以在任务与任务间、中断和任务间传递消息，实现接收来自任务或者中断的不固定长度的消息，并根据不同的接口选择传递消息是否存放在自己的空间
3. 消息队列是一种异步的通信方式，用户在处理业务时，消息队列提供异步处理机制，允许将一个消息放入队列，但并不立即处理它
4. 消息队列使用时需要包含头文件los_queue.h

3.2 LiteOS消息队列的特点

1. 消息以先进先出方式排队，支持异步读写工作方式
2. 读队列和写队列都支持超时机制
3. 发送消息类型由通信双方约定，可以允许不同长度（不超过队列节点最大值）的任意类型消息
4. 消息支持先进后出的方式排队，往队首发送消息（LIFO）
5. 一个任务能够从任意一个消息队列接收和发送消息
6. 多个任务能够从同一个消息队列接收和发送消息
7. 当队列使用结束后，如果是动态申请的内存，需要通过释放内存函数回收

3.3 LiteOs消息队列的运作机制

1. 创建队列时，用户根据传入的队列长度和消息节点来开辟相应的内存空间
2. 队列控制块中维护消息头结点位置usQueueHead和一个消息尾节点位置usQueueTail来表示消息队列的消息存储情况
3. 可以将LiteOs消息队列看成一个_环形队列_
4. 写队列是从usQueueTail所指的尾部的空闲节点写入区域，利用usReadWriteableCnt[OS_QUEUE_WRITE]来判断是否可以写入
5. 读队列是从usQueueHead找到最先入队列的消息节点进行读取，利用usReadWriteableCnt[OS_QUEUE_READ]判断队列是否有消息可读取，若没有消息的队列进行读队列操作会引起任务挂起
6. 删除队列根据传入的队列ID寻找到对应的队列，把队列状态设置为未使用，释放原队列所占空间
7. LiteOs的消息队列采用两个双向链表来维护一个链表指向消息队列的头部，一个链表指向消息队列的尾尾(stReadWriteList[QUEUE_HEAD_TAIL])，通过访问这两个链表就能直接访问对应的消息空间,并且通过消息队列控制块 中的读写类型(usReadWriteableCnt[QUEUE_READ_WRITE])来操作消息队列
8. 消息队列的运作过程如下图所示
   
   LiteOs消息队列运作图
   
   消息队列读写消息图

3.4 LiteOs消息队列的传输机制

1. 消息队列是一种FIFO线性表，也支持LIFO

2. 消息数据传输支持值传递（拷贝）和引用传递

3. 两种传递方式比较

   消息传递方式	大小	重要性
   拷贝	数据量小的场合	数据重要性高
   引用方式	数据量大的场合	重要性一般场合

3.5 消息队列的阻塞机制

• 顾名思义，就是指读/写消息队列时，能够完整的不受其他任务干扰的完成读/写，即阻塞机制

3.5.1 出队阻塞

• 读操作，若消息队列中没有消息，会有三种选择
  • 该任务继续干别的事情，不会进入阻塞状态
  • 该任务等待消息队列的消息，等待时间由用户定制，等待过程即为阻塞状态，消息队列有了对应的消息后，该任务转为就绪状态，然后根据该任务的优先级读取队列消息，若超时，则该任务放弃等待，去干别的事情
  • 该任务死等，等不到消息就不干别的事情，该任务一直进入阻塞状态，直到完成读取队列的消息

3.5.2 入队阻塞

• 写操作，若消息队列已经满了，会进行如下处理
  • 发送消息操作的时候，当且仅当队列被允许入队时，发送者才能成功发送消息
  • 队列中无可用消息空间时，系统会根据用户指定的阻塞超时时间将任务阻塞，在指定的超时时间内如果还不能完成入队操作，发送消息的任务或者中断服务程序会收到一个错误代码LOS_ERRNO_QUEUE_ISFULL ，然后解除阻塞状态
  • 只有在任务中发送消息才允许进行阻塞状态，在中断中发送消息不允许带有阻塞机制的，否则返回错误代码LOS_ERRNO_QUEUE_READ_IN_INTERRUPT
  • 如果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

3.6 常用消息队列的函数介绍

3.6.1 使用队列模块的典型流程

1. 创建消息队列LOS_QueueCreate，在创建任务之前
2. 创建成功后，可以得到消息队列的ID值
3. 写队列操作函数LOS_QueueWrite ，在对应需要传递消息的任务中使用
4. 读队列操作函数LOS_QueueRead ，在对应需要读取消息的任务中使用
5. 删除队列LOS_QueueDelete

3.6.2 创建消息队列LOS_QueueCreate()

1. 创建消息队列的内存空间：
   $$内存空间=消息队列控制块大小+（单个消息空间大小+4字节）\ast 消息队列长度$$

2. 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（消息存储位置，头指针，尾指针，消息大小，以及队列长度等）

3. UINT32 LOS_QueueCreate(CHAR *pcQueueName,//消息队列的名称，暂时未使用
                          UINT16 usLen,// 队列长度
                          UINT32 *puwQueueID,//成功创建的队列控制结构ID，需要用户在创建前定义
                          UINT32 uwFlags,//队列参数，保留参数，暂时不使用
                          UINT16 usMaxMsgSize )//最大消息字节
   {
       ...
   }
   
   // 队列控制块
   typedef struct tagQueueCB
   {
       UINT8       *pucQueue;                              /**< 队列指针 */
       UINT16      usQueueState;                           /**< 队列状态 */
       UINT16      usQueueLen;                             /**< 队列中消息个数 */
       UINT16      usQueueSize;                            /**< 消息节点大小 */
       UINT16      usQueueID;                              /**< 队列ID */
       UINT16      usQueueHead;                            /**< 消息头结点位置 */
       UINT16      usQueueTail;                            /**< 消息尾结点位置 */
       UINT16      usReadWriteableCnt[2];     /**< 可读或者可写资源的计数0：可读，1：可写 */
       LOS_DL_LIST stReadWriteList[2];        /**< 指向要读取或写入的链表的指针0： 读列表 */
       LOS_DL_LIST stMemList;                              /** 指向内存链表的指针 */
   } QUEUE_CB_S;
   

4. 先定义队列ID，再调用LOS_QueueCreate() 函数创建，才能成功创建消息队列

3.6.2 消息队列删除函数LOS_QueueDelete()

1. 队列删除函数是直接根据队列ID直接删除的

   UINT32 LOS_QueueDelete(UINT32 uwQueueID)
   

2. 队列在使用或者阻塞中是不能被删除的

3.6.3 消息队列写数据函数

1. 任务或者中断程序都可以给消息队列写入消息

2. 当写入消息时，

   • 如果队列未满，LiteOS会将消息拷贝到消息队列的尾部，
   • 若满，会根据用户指定的阻塞超时时间进行阻塞，在这段时间中，如果队列还是满的，该任务将保持阻塞状态以等待有空闲的消息空间，如果其他任务从其等待的队列中读取了数据，则消息队列空出空间，该等待的任务自动由阻塞状态转为就绪态，并写入消息
   • 当任务等待的时间超过指定的阻塞时间，即使队列中还是满的，任务也会自动从阻塞状态变为就绪态，此时发送消息的任务/中断程序会收到一个错误码：LOS_ERRNO_QUEUE_ISFULL

3. 不带拷贝写入函数LOS_QueueWrite()：

   UINT32 LOS_QueueWrite(UINT32 uwQueueID,    // 队列ID
                         VOID *pBufferAddr,   // 存储写入的数据的起始地址
                         UINT32 uwBufferSize, // 存入缓存区的大小
                         UINT32 uwTimeOut);   // 等待时间（0~LOS_WAIT_FOREVER）
   

4. 写入队列需要注意几点：

   • 在使用写入队列的操作前应先创建要写入的队列
   • 在中断上下文环境中， 必须使用非阻塞模式写入，也就是等待时间为 0 个 tick
   • 在初始化 LiteOS 之前无法调用此 API
   • 将写入由 uwBufferSize 指定大小的数据，其数据存储在 BufferAddr 指定的地址 ，那么该数据地址必须有效，否则会发生错误
   • 写入队列节点中的是数据的地址

5. 带拷贝写入LOS_ QueueWriteCopy()

   UINT32 LOS_QueueWriteCopy(UINT32 uwQueueID,    // 队列ID
                         	  VOID *pBufferAddr,   // 存储写入的数据的起始地址
                         	  UINT32 uwBufferSize, // 存入缓存区的大小
                             UINT32 uwTimeOut);   // 等待时间（0~LOS_WAIT_FOREVER）
   

   1. 注意点同不带拷贝写入，区别是写入队列中的是存储在pBufferAddr中的数据

3.6.4 消息队列读数据函数

1. LOS_ QueueRead()（不带拷贝方式读出）

   UINT32 LOS_QueueRead(UINT32 uwQueueID,    // 队列ID
                        VOID *pBufferAddr,   // 存储写入的数据的起始地址
                        UINT32 uwBufferSize, // 存入缓存区的大小
                        UINT32 uwTimeOut);   // 等待时间（0~LOS_WAIT_FOREVER）
   

2. 注意点：

   • 在使用读取队列的操作前应先创建要写入的队列
   • 队列读取采用的是先进先出（FIFO）模式， 首先读取首先存储在队列中的数据
   • 必须要我们自己定义一个存储读取出来的数据的地方，并且把存储数据的起始地址传递给 LOS_ QueueRead()函数，否则，将发生地址非法的错误。
   • 在中断上下文环境中， 必须使用非阻塞模式写入，也就是等待时间为 0 个 tick
   • 在初始化 LiteOS 之前无法调用此 API
   • pBufferAddr里存放的是队列节点的地址
   • LOS_QueueReadCopy()和 LOS_QueueWriteCopy()是一组接口，LOS_QueueRead()和 LOS_QueueWrite()是一组接口，两组接口需要配套使用

3. LOS_ QueueReadCopy()（带拷贝读出）

   UINT32 LOS_QueueReadCopy(UINT32  uwQueueID,		// 队列 ID
                            VOID *  pBufferAddr,	// 存储获取数据的起始地址
                            UINT32 * puwBufferSize,// 保存读取之后数据大小的值
                            UINT32  uwTimeOut)		// 等待时间
   

   1. 注意点同上，不同的是
      • pBufferAddr存放的是消息队列中的数据
      • 需要定义一个空间保存读取数据的大小