ROS2 Jazzy：执行器

ROS2 中的执行管理由 执行器（Executor） 处理。执行器利用底层操作系统的一个或多个线程，在接收到消息和事件时调用订阅者、定时器、服务服务器、动作服务器的回调函数。显式的Executor类（rclcpp 中的executor.hpp、rclpy 中的executors.py或 rclc 中的executor.h）提供了与ROS1 API 非常相似的，但是比 ROS1 中spin机制更精细的执行管理控制。

以下我们主要关注 C++ 客户端库 rclcpp。

基本用法

最简单的情况是通过调用rclcpp::spin(..)，使用主线程处理节点的传入消息和事件，示例如下：

cpp 复制代码

int main(int argc, char* argv[])
{
   // 初始化
   rclcpp::init(argc, argv);
   ...

   // 创建节点
   rclcpp::Node::SharedPtr node = ...

   // 运行执行器
   rclcpp::spin(node);

   // 关闭并退出
   ...
   return 0;
}

调用spin(node)本质上等同于实例化并调用单线程执行器（Single-Threaded Executor），这是最简单的执行器：

cpp 复制代码

rclcpp::executors::SingleThreadedExecutor executor;
executor.add_node(node);
executor.spin();

调用执行器实例的spin()后，当前线程会开始查询 rcl 和中间件层的传入消息和其他事件，并调用相应的回调函数，一直到节点关闭。为了不影响中间件的 QoS 设置，传入消息不会存储在客户端库层的队列中，而是保留在中间件中，直到被回调函数处理（这里是与 ROS1 的关键区别）。执行器通过等待集（wait set） 感知中间件层的可用消息，每个队列对应一个二进制标志位，等待集也用于检测定时器是否到期。

在所有无需显式主函数创建和执行节点的场景中，单线程执行器也用于组件的容器进程。

执行器类型

当前，rclcpp 提供了三种执行器类型，均派生自同一个父类：

其中多线程执行器（Multi-Threaded Executor） 会创建可配置数量的线程，允许并行处理多条消息或事件。而静态单线程执行器（Static Single-Threaded Executor） 针对节点的订阅、定时器、服务服务器、动作服务器等结构的扫描进行了运行时优化。它仅在添加节点时执行一次扫描，而另外两种执行器则会定期扫描这些变化。因此，静态单线程执行器应该仅仅在节点初始化时创建所有订阅、定时器等资源的场景中使用。

所有三种执行器都可以通过调用 add_node(..) 添加多个节点：

cpp 复制代码

rclcpp::Node::SharedPtr node1 = ...;
rclcpp::Node::SharedPtr node2 = ...;
rclcpp::Node::SharedPtr node3 = ...;

rclcpp::executors::StaticSingleThreadedExecutor executor;
executor.add_node(node1);
executor.add_node(node2);
executor.add_node(node3);
executor.spin();

在上面这个例子中，静态单线程执行器的单个线程用于共同服务三个节点。对于多线程执行器，实际并行性取决于回调组（Callback Groups）。

回调组

ROS2 允许将节点的回调组织成组。在 rclcpp 中，可通过 Node 类的 create_callback_group 函数创建回调组；在 rclpy 中，则通过调用特定回调组类型的构造函数实现。回调组必须在节点的整个执行周期中保持存活（例如作为类成员），否则执行器无法触发回调。创建订阅、定时器等资源时，可通过选项指定回调组，例如：

C++

cpp 复制代码

my_callback_group = create_callback_group(rclcpp::CallbackGroupType::MutuallyExclusive);

rclcpp::SubscriptionOptions options;
options.callback_group = my_callback_group;

my_subscription = create_subscription<Int32>("/topic", rclcpp::SensorDataQoS(),
                                             callback, options);

Python

python 复制代码

my_callback_group = MutuallyExclusiveCallbackGroup()
my_subscription = self.create_subscription(Int32, "/topic", self.callback, qos_profile=1,
                                           callback_group=my_callback_group)

所有创建时未指定回调组的订阅、定时器等资源，都会被分配到默认回调组。在 rclcpp 中，可通过 NodeBaseInterface::get_default_callback_group() 查询默认回调组；在 rclpy 中则通过 Node.default_callback_group 获取。

回调组有两种类型，需在实例化时指定：

互斥组（Mutually exclusive）：该组的回调禁止并行执行。
可重入组（Reentrant）：该组的回调允许并行执行。

不同回调组的回调始终可以并行执行。多线程执行器会根据这些规则，利用线程池尽可能并行处理回调。有关高效使用回调组的建议，可以参考《使用回调组》。

rclcpp 的执行器基类还提供 add_callback_group(..) 函数，允许将回调组分配给不同执行器。通过操作系统调度器配置底层线程，可对特定回调设置优先级（例如，控制回路的订阅和定时器可优先于节点的其他订阅和标准服务）examples_rclcpp_cbg_executor(github.com/ros2/exampl...) 软件包提供了该机制的演示。

调度语义

如果回调的处理时间短于消息和事件的产生周期，执行器基本按 先进先出（FIFO） 顺序处理它们。而如果某些回调处理时间较长，消息和事件会在底层栈中排队。等待集（Wait Set）机制仅向执行器报告这些队列的少量信息（例如是否有某个主题的消息）。执行器基于此信息以 轮询（Round-Robin） 而非 FIFO 顺序处理消息、服务和动作。以下流程图展示了该调度语义：

这种语义最早由 Casini 等人在 ECRTS 2019 会议的论文(drops.dagstuhl.de/opus/vollte...) 中描述（注：该论文还提到定时器事件优先级高于其他消息，但这一优先级在 Eloquent 版本中已移除(github.com/ros2/rclcpp...)%25E3%2580%2582 "https://github.com/ros2/rclcpp/pull/841))%E3%80%82")

未来展望

尽管 rclcpp 的三种执行器适用于大多数应用，但仍存在一些不适合实时应用的问题（实时应用需要明确的执行时间、确定性和对执行顺序的自定义控制），主要问题包括：

复杂且混合的调度语义，理想情况下需要明确的调度语义进行形式化时序分析。
回调可能出现优先级反转，高优先级回调可能被低优先级回调阻塞。
无法显式控制回调执行顺序。
缺乏对特定主题触发的内置控制。
执行器在 CPU 和内存使用方面的开销较大，静态单线程执行器虽然大幅减少了开销，但对某些应用可能仍然不足。

下面这两个功能部分解决了这些问题：

rclcpp WaitSet ：rclcpp 的 WaitSet 类允许不使用执行器，而直接等待订阅、定时器、服务服务器、动作服务器等资源。它可用于实现确定的用户自定义处理序列，甚至同时处理来自不同订阅的多条消息。examples_rclcpp_wait_set(github.com/ros2/exampl...) 软件包提供了多个使用该用户级等待集机制的示例。
rclc 执行器：C 客户端库 rclc（为 micro-ROS 开发）的执行器允许用户细粒度控制回调的执行顺序，并支持自定义触发条件激活回调。此外，它实现了逻辑执行时间（LET）语义的思想。

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