FreeRTOS教程----队列详解

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前言

[3.2.1、创建队列集 xQueueCreateSet](#3.2.1、创建队列集 xQueueCreateSet)

[3.2.2、把队列加入队列集 xQueueAddToSet](#3.2.2、把队列加入队列集 xQueueAddToSet)

[3.2.3、读取队列集 xQueueSelectFromSet](#3.2.3、读取队列集 xQueueSelectFromSet)

3.3、示例

总结

前言

在 FreeRTOS 多任务系统中，任务之间不能直接互相访问变量 ，否则会出现数据竞争、死机、打印乱码等问题。队列就是 FreeRTOS 提供的最基础、最核心、最通用的任务间通信工具，掌握队列，信号量、互斥锁、消息邮箱都能一通百通。

一、队列概述

队列（Queue） 是一种用于任务间通信的数据结构。本质上，它像一个 "带锁的管道" 或 "安全的消息邮箱"，允许一个任务发送数据、另一个任务接收数据，且不会发生数据冲突。队列是线程安全的。

队列可以包含若干个数据：队列中有若干项，这被称为长度。每个数据大小固定。

创建队列时就要指定长度、数据大小。

数据的操作采用先进先出的方法(FIFO，First In First Out)：写数据时放到尾部，读数据时从头部读。也可以强制写队列头部：覆盖头部数据。

多任务访问 ：队列不属于某个任务，任何任务和中断都可以向队列写入/读取消息。

队列中，数据的读写本质就是环形缓冲区，在此基础上增加了互斥措施、阻塞 - 唤醒机制。

如果队列不传输数据，仅调整 "数据个数"（只传递状态） ，它就是信号量（semaphore）。

如果信号量中限定 "数据个数" 的最大值为 1，它就是互斥量（mutex）。

队列通常用作环形****FIFO（先进先出） 缓冲区，其中数据被写入队列的末尾(尾部) ，此时尾部就变成头部了，并从队列的前端(头部)删除。

二、队列函数

2.1、创建队列

队列的创建有两种方法：动态分配内存、静态分配内存。

2.1.1、动态分配内存

这是最常用的方式，内存由 FreeRTOS 内核自动分配，用完自动回收，省心省力。

函数原型：

cpp 复制代码

QueueHandle_t xQueueCreate(
    UBaseType_t uxQueueLength,    // 队列长度：最多存多少个数据
    UBaseType_t uxItemSize         // 每个数据的大小（字节）
);

参数说明：

参数	说明
`uxQueueLength`	队列的最大容量，比如填 10，就表示最多能存 10 条消息
`uxItemSize`	单条消息的大小，比如存 `uint32_t` 就是 4，存自定义结构体就是 `sizeof(MyStruct)`

返回值

非 NULL：创建成功，返回队列句柄，后续操作都用这个句柄。

NULL：创建失败，通常是堆内存不足。

2.1.2、静态分配

如果你做的是高可靠性项目，不想依赖堆内存，就可以用静态方式，自己提前定义好内存缓冲区。

cpp 复制代码

QueueHandle_t xQueueCreateStatic(
    UBaseType_t uxQueueLength,
    UBaseType_t uxItemSize,
    uint8_t *pucQueueStorageBuffer,  // 数据存储缓冲区
    StaticQueue_t *pxQueueBuffer     // 队列控制块
);

参数说明

参数	说明
`uxQueueLength` / `uxItemSize`	和动态创建的参数含义完全一样
`pucQueueStorageBuffer`	你自己定义的 `uint8_t` 数组，大小必须是 `uxQueueLength * uxItemSize`
`pxQueueBuffer`	必须是一个 `StaticQueue_t` 类型的结构体变量，用来保存队列的元数据

2.2、队列的写入函数

创建好队列后，我们就可以往里面发数据了。FreeRTOS 提供了一套 xQueueSend 系列函数，功能非常丰富。

函数	描述
`xQueueSend()` / `xQueueSendToBack()`	往队列的尾部写入消息（标准 FIFO）
`xQueueSendToFront()`	往队列的头部写入消息（插队）
`xQueueOverwrite()`	覆写队列消息（仅用于队列长度为 1 的情况）
`xQueueSendFromISR()` / `xQueueSendToBackFromISR()`	在中断服务函数中往队列尾部写入消息
`xQueueSendToFrontFromISR()`	在中断中往队列头部写入消息
`xQueueOverwriteFromISR()`	在中断中覆写队列消息（仅用于队列长度为 1 的情况）

2.3、队列的读取（接收）函数

发送了数据，自然就要读取。FreeRTOS 也提供了一套读取 API，核心是 xQueueReceive。

函数	描述
`xQueueReceive()`	从队列头部读取消息，并删除消息
`xQueuePeek()`	从队列头部读取消息，但不删除消息（数据还在队列里）
`xQueueReceiveFromISR()`	在中断中从队列头部读取消息，并删除消息
`xQueuePeekFromISR()`	在中断中从队列头部读取消息，不删除

cpp 复制代码

BaseType_t xQueueReceive(
    QueueHandle_t xQueue,
    void * const pvBuffer,
    TickType_t xTicksToWait
);

参数	说明
`xQueue`	队列句柄，要读哪个队列
`pvBuffer`	数据接收缓冲区，队列的数据会被复制到这里（大小在创建队列时已指定）
`xTicksToWait`	阻塞超时时间：队列为空时，任务最多等待多久
返回值	`pdPASS`：成功读取；`pdFALSE`：超时失败

三、队列集

普通队列只能传递同一种数据类型，而且一个任务只能阻塞等待一个队列。如果你的任务需要同时监听多个队列（比如同时接收按键、串口、传感器数据），就需要用到队列集（Queue Set）。

3.1、队列集使用步骤

启用队列集：在 FreeRTOSConfig.h 中，将 configUSE_QUEUE_SETS 配置为 1。

创建队列集：xQueueCreateSet()

创建队列 / 信号量

将队列 / 信号量加入队列集：xQueueAddToSet()

发送数据 / 释放信号量

从队列集中读取句柄：xQueueSelectFromSet()

3.2、队列集核心API函数

3.2.1、创建队列集 `xQueueCreateSet`

cpp 复制代码

QueueSetHandle_t xQueueCreateSet(const UBaseType_t uxEventQueueLength);

uxEventQueueLength：队列集的长度，等于要加入的队列 / 信号量的总数。

返回值：队列集句柄，失败返回 NULL。

3.2.2、把队列加入队列集 `xQueueAddToSet`

cpp 复制代码

BaseType_t xQueueAddToSet(
    QueueSetMemberHandle_t xQueueOrSemaphore,
    QueueSetHandle_t xQueueSet
);

xQueueOrSemaphore：要加入的队列或信号量句柄

xQueueSet：队列集句柄

返回值：pdTRUE 成功，pdFALSE 失败

3.2.3、读取队列集 `xQueueSelectFromSet`

cpp 复制代码

QueueSetMemberHandle_t xQueueSelectFromSet(
    QueueSetHandle_t xQueueSet,
    TickType_t const xTicksToWait
);

xQueueSet：队列集句柄

xTicksToWait：阻塞超时时间

返回值：有数据的队列 / 信号量句柄，失败返回 NULL

3.3、示例

cpp 复制代码

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"

#define QUEUE1_LENGTH 5
#define QUEUE2_LENGTH 5
#define ITEM_SIZE sizeof(uint32_t)

QueueHandle_t g_Queue1, g_Queue2;
QueueSetHandle_t g_QueueSet;

// 生产者任务1：往Queue1发数据
void vProducer1(void *pvParameters)
{
    uint32_t count = 0;
    while(1)
    {
        count++;
        xQueueSend(g_Queue1, &count, portMAX_DELAY);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
    }
}

// 生产者任务2：往Queue2发数据
void vProducer2(void *pvParameters)
{
    uint32_t count = 100;
    while(1)
    {
        count++;
        xQueueSend(g_Queue2, &count, portMAX_DELAY);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(700));
    }
}

// 消费者任务：监听队列集，处理两个队列的数据
void vConsumer(void *pvParameters)
{
    QueueSetMemberHandle_t xReceivedQueue;
    uint32_t data;

    while(1)
    {
        // 阻塞等待队列集里有事件
        xReceivedQueue = xQueueSelectFromSet(g_QueueSet, portMAX_DELAY);

        if (xReceivedQueue == g_Queue1)
        {
            xQueueReceive(g_Queue1, &data, 0);
            // 处理Queue1的数据
        }
        else if (xReceivedQueue == g_Queue2)
        {
            xQueueReceive(g_Queue2, &data, 0);
            // 处理Queue2的数据
        }
    }
}

void app_main()
{
    // 1. 创建两个队列
    g_Queue1 = xQueueCreate(QUEUE1_LENGTH, ITEM_SIZE);
    g_Queue2 = xQueueCreate(QUEUE2_LENGTH, ITEM_SIZE);

    // 2. 创建队列集，长度为2（要监听2个队列）
    g_QueueSet = xQueueCreateSet(2);

    // 3. 将队列加入队列集
    xQueueAddToSet(g_Queue1, g_QueueSet);
    xQueueAddToSet(g_Queue2, g_QueueSet);

    // 4. 创建任务
    xTaskCreate(vProducer1, "Producer1", 1024, NULL, 2, NULL);
    xTaskCreate(vProducer2, "Producer2", 1024, NULL, 2, NULL);
    xTaskCreate(vConsumer, "Consumer", 1024, NULL, 3, NULL);

    vTaskStartScheduler();
}

总结

本期博客主要对FreeRTOS中的队列进行了详解。