5.3　消息队列

在实时操作系统中，如果需要在线程间或线程与中断间传送数据，就需要采用消息队列作为同步与通信手段。本节主要介绍消息队列的基本知识及应用场合、消息队列常用函数及消息队列的编程举例。对于消息队列所采用的结构体，以及存放消息函数、获取消息函数和内存池分配函数将在11.2节进行深入剖析。

5.3.1　消息队列的含义及应用场合

消息（Message）是一种线程间数据传送的单位，它可以是只包含文本的字符串或数字，也可以更复杂，如结构体类型等，所以相比使用事件时传递的少量数据（1位或1个字），消息可以传递更多、更复杂的数据，这是通过消息队列来实现的。

消息队列（Message Queue）是在消息传输过程中保存消息的一种容器，是将消息从它的源头发送到目的地的中转站，它是能够实现线程之间同步和大量数据交换的一种队列机制。在该机制下，消息发送方在消息队列未满时将消息发往消息队列，接收方则在消息队列非空时将消息队列中的首个消息取出；而在消息队列满或者空时，消息发送方及接收方既可以等待消息队列满足条件，也可以不等待，直接进行后续操作。这样只要消息的平均发送速度小于消息的平均接收速度，就可以实现线程间的同步数据交换，即使偶尔产生消息堆积，也可以在消息队列中获得缓冲。

消息队列作为具有行为同步和缓冲功能的数据通信手段，主要适用于以下两个场合：第一，消息的产生周期较短，消息的处理周期较长；第二，消息的产生是随机的，消息的处理速度与消息内容有关，某些消息的处理时间有可能较长。这两种情况均可把产生与处理分在两个程序主体进行编程，它们之间通过消息队列通信。

5.3.2　消息队列的常用函数

在Mbed OS中，消息队列的常用函数有内存池分配函数（alloc）、消息存放函数（put）、消息获取函数（get）、释放内存块函数（free）和获取队列中消息数函数（count）。

1.内存池分配函数

在发送消息前，需要调用内存池分配函数从内存池中得到一块分配好的内存空间，之后才能填写消息并将其发送。函数原型如下：

2.消息存放函数

此函数将消息放入消息队列中，若消息阻塞列表中有等待消息的线程，则将消息直接给线程，并不进入消息队列，否则给消息分配内存，并放入消息队列中。若无可分配内存，则返回等待超时或资源不可用。在GEC架构下，消息存放函数put被封装成mq_send函数。

3.消息获取函数

此函数从消息队列中获取消息，若消息队列非空，则将消息队列中首个消息出队，此消息变为该线程的资源；若消息队列为空，则线程阻塞，直到消息队列获取到消息。在GEC架构下，消息获取函数get被封装成mq_recv函数。

4.释放内存块函数

当从消息队列中获取消息之后，需要调用释放内存块函数将消息所占用的内存块还给内存池，以便下次继续存放消息。函数原型如下：

5.获取队列中消息数函数

调用该函数可以获知某一消息队列中消息的数量。

6.创建消息队列及内存池

利用消息队列进行编程时，除了调用以上常用的函数，还需要创建一个消息队列及消息池，其具体语句如下。

1）创建消息队列

其中，Message_Type表示消息的类型；Queue_sz表示队列中消息的数量；QueueName表示队列的名称。

2）创建内存池

其中，Message_Type表示消息的类型；Pool_sz表示内存块的数量，一般与消息的数量相同；MemoryPoolName表示内存池的名称。

5.3.3　消息队列的编程举例

下面将举例说明如何通过消息队列实现线程间消息的传递。基于3.4节的样例工程，每当串口接收一个字节，就将一条完整的消息放入消息队列中，消息成功放入队列后，消息队列接收线程（run_messagerecv）会通过串口（波特率设置为115200）打印消息，以及消息队列中消息的数量。具体代码可参见“...\04-Softwareware\CH05\CH5.3.3-MessageQueue_mbedOS_STM32L431”文件。

1.使用消息队列的编程步骤

使用消息队列的编程一般分为创建消息队列变量、发送消息和接收消息三个步骤，具体操作如下。

1）准备阶段

创建消息队列控制块，初始化消息队列，设置每个消息的最大值及消息队列最大可存放消息数：通过mq_create函数初始化消息队列结构体指针变量，设置每个消息的最大值及消息队列最大可存放消息数。例如，在本节样例程序中，在threadauto_appinit.c文件的app_init函数中初始化消息队列结构体指针变量，设置每个消息最大为8×4字节（rt_size_t类型的大小为4字节），消息队列最大可存放消息数为5，代码如下：

2）应用阶段

（1）将消息放入消息队列中：通过mq_send函数将消息放入消息队列中，若消息队列中存放的消息数已满，则会直接舍弃该条消息。例如，在本节样例程序中，串口接收中断处理程序将收到的消息放入消息队列中，代码如下：

（2）获取消息队列中的消息：通过mq_recv函数获取消息队列中存放的消息。例如，在本节样例程序中，在thread_messagerecv线程中获取消息，代码如下：

2.程序代码

1）串口接收中断服务程序

当串口中断成功接收到一个字节数据时，将数据组成一条完整的消息，并放入消息队列中。

2）消息接收线程

当消息队列中有消息时，可获取队列中消息的地址，并输出消息，其具体代码如下：

3）程序执行流程分析

消息队列的执行流程需要等待串口接收一个完整的数据帧（帧头3A+8位数据+帧尾0D 0A）之后发送8位数据。每当串口接收一个完整的数据帧时，中断服务程序会将接收到的消息放入消息队列中。消息成功放入后，消息队列中的消息数量增1。若消息数量不足5个，则消息可以继续放入消息队列中；若消息数量超过5个，则消息溢出，溢出的消息会被舍去；若消息发送的速度快于消息处理的速度且消息数量超过5，则会产生消息堆积，而堆积的消息将被舍弃。

消息接收线程每隔1s从消息队列中获取消息，收到消息后输出消息内容，同时消息数量减1。若无消息可获取，则消息接收线程会被放入消息阻塞列表和等待列表中，直到有新的消息到来，才会从消息阻塞列表和等待列表中移出，放入就绪列表中。

3.运行结果

（1）发送1个消息的串口收发数据结果如图5-3所示。

（2）当连续发送不超过5个消息时，串口每隔1s便输出一个消息的内容。图5-4所示为发送3个消息的串口收发数据结果。

（3）当发送多于5个消息时，溢出的部分会被舍弃。如图5-5所示，同时发送6个消息时，只会输出5个消息。