RT-Thread 记录（七、IPC 机制之邮箱、消息队列）

2022 年 8 月 14 日
江苏
本文字数：6015 字
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讲完了线程同步的机制，我们要开始线程通讯的学习，线程通讯中的邮箱消息队列也属于 RT-Thread 的IPC机制。

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前言

与上篇文章的介绍的信号量、互斥量和事件集，邮箱、消息队列同样为 RT-Thread IPC 机制。但是信号量它们属于线程同步机制，并不能在线程之间传递消息，我们本文介绍的邮箱、消息队列就是实现线程间消息传递的机制。

相对于上一篇文章的内容，线程通讯的学习会相对复杂些，因为涉及到消息的传递，消息在实际项目中的可能存在多种不同的情况，所以邮箱和消息队列的使用场景和方式是关键，尤其是消息队列。基本上实际项目中的所有消息类型都可以使用消息队列的方式。消息队列应用于串口通信我会单独用一篇博文来说明，本文先做基础介绍和基本示例的讲解。

本 RT-Thread 专栏记录的开发环境：
RT-Thread记录（一、RT-Thread 版本、RT-Thread Studio开发环境及配合CubeMX开发快速上手）
RT-Thread记录（二、RT-Thread内核启动流程 — 启动文件和源码分析
RT-Thread 内核篇系列博文链接：
RT-Thread记录（三、RT-Thread 线程操作函数及线程管理与FreeRTOS的比较）
RT-Thread记录（四、RT-Thread 时钟节拍和软件定时器）
RT-Thread记录（五、RT-Thread 临界区保护）
RT-Thread记录（六、IPC机制之信号量、互斥量和事件集）

一、邮箱

RT-Thread 中的邮件是线程、中断服务、定时器向线程发送消息的有效手段（中断和定时器需要非阻塞方式，不能等待发送，也不能接收）。

邮箱中的每一封邮件只能容纳固定的 4 字节内容（32 位内核正好可以传递一个指针）。

邮箱特点 RAM 空间占用少，效率较高。

RT-Thread 有点类似 FreeRTOS 的任务通知，同样的只能传递 4 个字节内容。但是 FreeRTOS 的任务通知是属于任务自己的，每个任务有且只有一个通知，而 RT-Thread 的邮箱由邮箱控制块统一管理，新建一个邮箱，可以包含多封邮件（每封 4 个字节）。

1.1 邮箱控制块

老规矩用源码，解释看注释（使用起来也方便复制 ~ ~！）

#ifdef RT_USING_MAILBOX/** * mailbox structure */struct rt_mailbox{    struct rt_ipc_object parent;             /**< inherit from ipc_object */    rt_ubase_t          *msg_pool;           /**< 邮箱缓冲区的开始地址  */    rt_uint16_t          size;               /**< 邮箱缓冲区的大小      */    rt_uint16_t          entry;              /**< 邮箱中邮件的数目 */    rt_uint16_t          in_offset;          /**< 邮箱缓冲的入口指针 */    rt_uint16_t          out_offset;         /**< 邮箱缓冲的出口指针 */    rt_list_t            suspend_sender_thread;   /**< 发送线程的挂起等待队列 */};typedef struct rt_mailbox *rt_mailbox_t;#endif

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1.2 邮箱操作

1.2.1 创建和删除

同以前的线程那些一样，动态的方式，先定义一个邮箱结构体的指针变量，接收创建好的句柄。

创建邮箱：

/**参数的含义：1、name     邮箱名称2、size      邮箱容量（就是多少封邮件，4的倍数）3、flag     邮箱标志，它可以取如下数值： RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO返回值：RT_NULL     创建失败邮箱对象的句柄   创建成功  */rt_mailbox_t rt_mb_create(const char *name, rt_size_t size, rt_uint8_t flag)

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最后的 flag 和信号量一样建议 RT_IPC_FLAG_PRIO：

删除邮箱：

/**参数的含义：mb   邮箱对象的句柄返回RT_EOK   成功 */rt_err_t rt_mb_delete(rt_mailbox_t mb)

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1.2.2 初始化和脱离

静态的方式，先定义一个邮箱结构体，然后对他进行初始化。

这里要注意，还要定义一个数组，用来做邮箱的内存空间，和静态初始化线程一样。

初始化邮箱：

/**参数含义：1、mb     邮箱对象的句柄，需要取自定义的结构体地址2、name     邮箱名称3、msgpool   缓冲区指针（用户自定义的数组的地址，第一个数组元素的地址）4、size   邮箱容量（就是数组的大小/4）5、flag   邮箱标志，它可以取如下数值： RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO返回RT_EOK   成功 */rt_err_t rt_mb_init(rt_mailbox_t mb,                    const char  *name,                    void        *msgpool,                    rt_size_t    size,                    rt_uint8_t   flag)

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脱离邮箱：

/**参数的含义：mb   邮箱对象的句柄返回RT_EOK   成功 */rt_err_t rt_mb_detach(rt_mailbox_t mb)

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1.2.3 发送邮件

在 RT-Thread 中发送邮件分为有无等待方式发送邮件，以及发送紧急邮件。

在我建的工程版本中，并没有发送紧急邮件函数了，这里按照工程源码来说明，就不介绍发送紧急邮件的函数了，在一般的 STM32 应用中，个人认为紧急邮件有没有都没有影响！

无等待方式适用于所有的线程和中断，等待方式不能用于中断中！

无等待发送邮件：

/**参数：1、mb     邮箱对象的句柄2、value   邮件内容返回RT_EOK     发送成功-RT_EFULL   邮箱已经满了看函数原型，其实就是把等待方式发送的时间改成了0 */rt_err_t rt_mb_send(rt_mailbox_t mb, rt_ubase_t value){    return rt_mb_send_wait(mb, value, 0);}

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无等待发送其实就是使用等待方式发送邮件，等待时间为 0:。

等待方式发送邮件：

/**参数：1、mb     邮箱对象的句柄2、value   邮件内容3、timeout   超时时间返回：RT_EOK       发送成功-RT_ETIMEOUT   超时-RT_ERROR     失败，返回错误 */rt_err_t rt_mb_send_wait(rt_mailbox_t mb,                         rt_ubase_t   value,                         rt_int32_t   timeout)

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1.2.4 接收邮件

接收邮件时，除了指定接收邮件的邮箱句柄，并指定接收到的邮件存放位置（需要有一个变量来保存接收到的数据）。

/**参数含义：1、mb     邮箱对象的句柄，从哪个邮件控制块取邮件2、value   邮件内容，需要用一个变量保存3、timeout   超时时间返回值：RT_EOK   接收成功-RT_ETIMEOUT   超时-RT_ERROR   失败，返回错误 */rt_err_t rt_mb_recv(rt_mailbox_t mb, rt_ubase_t *value, rt_int32_t timeout)

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1.3 示例（指针传递）

2 个示例，第一个是正常的消息传递，第二个是与邮箱创建个数有关的引导示例。

1.3.1 邮箱消息传递

前面说到过，邮箱中的每一封邮件只能容纳固定的 4 字节内容，但是 4 字节可以传递指针，我们分别做个简单的演示。

示例中，我们使用两个不同的按键来发送邮件，通过一个事件来接收邮件，并打印收到的邮件内容。

按键 key3，发送 4 字节的内容，按键 Key2，发送一个字符串指针：

邮件创建：

在接收线程中，我们打印出接收到的数值：

测试结果，两个按键按下，线程不仅能收到直接传过来的 4 字节数据，还能通过传递的指针发送一个字符串：

1.3.2 邮箱个数示例

在上面的例子中，我们开始创建的邮箱大小就一个，我们测试下，如果没有线程接收，是不是就会打印邮箱满的消息，我们把线程接收邮箱代码注释掉，其他还是和前面测试一样：

我们再来改一下，使用一个按键测试一下这个 size 是字节呢，还是直接是邮件个数，直接看图说明：

在静态初始化邮件时候，我们需要注意我们开辟的空间大小，需要是 4 的倍数，我们一般都是用数组除以 4 直接表示邮箱的size大小，如下：

RT-Thread 是通过控制块来管理这些 IPC 机制，在实际测试中，为了加深对某个对象的理解，比如这里的邮箱，可以直接打印出邮箱的参数来查看当前邮箱的状态。学会测试！！！

二、消息队列

消息队列能够接收来自线程或中断服务例程中不固定长度的消息，并把消息缓存在自己的内存空间中。

消息队列和邮箱的区别是长度并不限定在 4 个字节以内，但是如果如果把消息队列的每条消息的最大字节规定在 4 个字节以内，那么消息队列就和邮箱一样了。

典型应用，使用串口接收不定长数据（后期会单独有博文介绍消息队列在串口接收上的应用）。

2.1 消息队列控制块

消息队列控制块的这些属性，我们等会用示例来打印出来看，加深一下对这些属性的认识。

#ifdef RT_USING_MESSAGEQUEUE/** * message queue structure */struct rt_messagequeue{    struct rt_ipc_object parent;                        /**< inherit from ipc_object */
    void                *msg_pool;                      /**< 消息队列的开始地址 */
    rt_uint16_t          msg_size;                      /**< 每个消息长度 */    rt_uint16_t          max_msgs;                      /**< 最大的消息数量 */
    rt_uint16_t          entry;                         /**< 已经有的消息数 */
    void                *msg_queue_head;                /**< list head 链表头 */    void                *msg_queue_tail;                /**< list tail 链表尾*/    void                *msg_queue_free;                /**< 空闲消息链表 */
    rt_list_t            suspend_sender_thread;         /**< 挂起的发送线程 */};typedef struct rt_messagequeue *rt_mq_t;#endif

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2.2 消息队列操作

2.2.1 创建和删除

先定义一个邮箱结构体的指针变量，接收创建好的句柄。

创建消息队列：

/**参数：1、name     消息队列的名称2、msg_size   消息队列中一条消息的最大长度，单位字节3、max_msgs   消息队列的最大个数4、flag     消息队列采用的等待方式，它可以取如下数值： RT_IPC_FLAG_FIFO 或 RT_IPC_FLAG_PRIO返回：RT_EOK         发送成功消息队列对象的句柄   成功RT_NULL       失败 */rt_mq_t rt_mq_create(const char *name,                     rt_size_t   msg_size,                     rt_size_t   max_msgs,                     rt_uint8_t  flag)

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注意！msg_size 单位是字节，在 32 位系统中 RT-Thread 默认#define RT_ALIGN_SIZE 4 ，所以如果 msg_size 不是 4 字节对齐，系统会自动补全。

比如用户定义为 9，那么系统会自动把消息队列大小设置为 12，定义为 1，设置为 4。

还有flag的使用，依然得注意一下，和邮箱信号量等一样，注意实时性问题。

删除消息队列：

/**参数mq     消息队列对象的句柄返回RT_EOK   成功 */rt_err_t rt_mq_delete(rt_mq_t mq)

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2.2.2 初始化和脱离

静态的方式，先定义一个消息队列结构体，然后对他进行初始化。

初始化消息队列：

/**参数：1、mq       消息队列对象的句柄，需要取自定义的结构体地址2、name     名称3、msgpool     存放消息的地址4、msg_size   消息队列中一条消息的最大长度，单位字节5、pool_size   存放消息的缓冲区大小6、flag     消息队列采用的等待方式，返回：RT_EOK   成功 */rt_err_t rt_mq_init(rt_mq_t     mq,                    const char *name,                    void       *msgpool,                    rt_size_t   msg_size,                    rt_size_t   pool_size,                    rt_uint8_t  flag)

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脱离消息队列：

/**参数：mq     消息队列对象的句柄返回：RT_EOK   成功 */rt_err_t rt_mq_detach(rt_mq_t mq)

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2.2.3 发送消息

和邮件一样，在 RT-Thread 中发送邮件分为有无等待方式发送，以及紧急消息发送。

无等待方式适用于所有的线程和中断，等待方式不能用于中断中！

无等待发送消息：

/**看函数原型，其实就是把等待方式发送的时间改成了0参数：1、mq     消息队列对象的句柄2、buffer   消息内容3、size   消息大小返回：RT_EOK     成功-RT_EFULL   消息队列已满-RT_ERROR   失败，表示发送的消息长度大于消息队列中消息的最大长度 */rt_err_t rt_mq_send(rt_mq_t mq, const void *buffer, rt_size_t size){    return rt_mq_send_wait(mq, buffer, size, 0);}

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等待方式发送邮件：

/**除了最后多一个时间，其他参数，和上面无等待方式一样timeout   超时时间（时钟节拍）*/rt_err_t rt_mq_send_wait(rt_mq_t     mq,                         const void *buffer,                         rt_size_t   size,                         rt_int32_t  timeout)

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发送紧急消息：

/**参数：1、mq     消息队列对象的句柄2、buffer   消息内容3、size   消息大小返回：RT_EOK     成功-RT_EFULL   消息队列已满-RT_ERROR   失败 */rt_err_t rt_mq_urgent(rt_mq_t mq, const void *buffer, rt_size_t size)

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2.2.4 接收消息

接收消息时，接收者需指定存储消息的消息队列对象句柄，并且指定一个内存缓冲区，接收到的消息内容将被复制到该缓冲区里。

/**参数：mq         消息队列对象的句柄buffer       消息内容size       消息大小timeout     指定的超时时间返回：RT_EOK       成功收到-RT_ETIMEOUT   超时-RT_ERROR     失败，返回错误 */rt_err_t rt_mq_recv(rt_mq_t    mq,                    void      *buffer,                    rt_size_t  size,                    rt_int32_t timeout)