【第22期】通讯变革：全局变量 vs 消息队列 (Queue)

最新推荐文章于 2025-12-30 15:52:40 发布

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#算法 #嵌入式硬件 #stm32 #c语言 #单片机 #开发语言

核心差异：全局变量是**“裸奔”的数据共享，甚至可能读到一半被改写；消息队列（Queue）是“线程安全”**的管道，自带同步与缓冲功能。

1. 全局变量的隐形杀手：脏读 (Dirty Read)

假设我们有一个结构体，包含两个变量，由 任务A（采集） 写入，任务B（显示） 读取。

struct SensorData {
int x;
int y;
} g_data;

// 任务A：采集传感器坐标
void Task_Sensor() {
g_data.x = 100;
// <--- 就在这一瞬间，高优先级的任务B抢占了！ --->
g_data.y = 200;
}

// 任务B：显示坐标
void Task_Display() {
printf("X=%d, Y=%d", g_data.x, g_data.y);
}

事故推演：

旧数据是 {x=0, y=0}。
任务A 刚把 x 更新为 100。
任务B 抢占执行，读取数据。它读到了新的 x=100 和旧的 y=0。
结果：任务B 拿到了一个现实中从未存在过的坐标 {100, 0}。

这就是脏读。数据的一致性被破坏了。在裸机里，我们靠关中断来保护；而在 RTOS 里，我们有了更高级的工具——队列。

2. 消息队列：不仅仅是数组

消息队列 (Queue) 是 RTOS 中最基本、最重要的通讯机制。你可以把它想象成一个传送带。

生产者 (Producer)：把数据放入传送带入口。
消费者 (Consumer)：从传送带出口拿走数据。

为什么它比全局变量好？

原子性 (Atomicity)：RTOS 保证数据入队和出队的操作是完整的。任务B 永远不会从队列里读到“半个结构体”。
数据拷贝 (Copy by Value)：当你发送数据时，RTOS 通常会把数据内容复制到队列的内存区中。就算任务A 里的局部变量销毁了，队列里的数据依然有效。
缓冲 (Buffering)：如果任务A 生产得快，任务B 消费得慢，队列可以暂存这些数据（比如深度为 10），防止数据丢失。

代码形态：

// 定义一个队列句柄
QueueHandle_t xQueue;

// 任务A (发送)
void Task_Sender(void *pvParam) {
int value = 0;
while(1) {
value++;
// 把 value 的值复制进队列
xQueueSend(xQueue, &value, 0);
vTaskDelay(100);
}
}

// 任务B (接收)
void Task_Receiver(void *pvParam) {
int buffer;
while(1) {
// 从队列读数据。
// 核心魔法：如果队列是空的，任务B会自动阻塞 (睡觉)，不占CPU！
// 一旦有数据入队，任务B 瞬间醒来处理。
xQueueReceive(xQueue, &buffer, portMAX_DELAY);

printf("Received: %d", buffer);
}
}

3. 自带的“流量控制”功能

除了传递数据，队列还有一个裸机全局变量无法比拟的功能：阻塞同步。

场景：串口接收任务（快）往队列里塞数据，SD卡写入任务（慢）从队列取数据写文件。

如果队列满了：
- 裸机数组：直接覆盖旧数据（丢包），或者指针乱飞导致溢出。
- RTOS队列：xQueueSend 可以选择阻塞。如果队列满了，发送任务会进入睡眠，暂停生产，等待接收任务腾出空间。这天然实现了一个流量控制阀，防止下游任务被冲垮。
如果队列空了：
- 裸机变量：接收者必须不断轮询检查 if (flag == 1)，浪费 CPU。
- RTOS队列：接收任务阻塞睡眠，完全不耗电。

4. 什么时候不用队列？

队列虽然好，但也不是万能的。由于涉及到 内存拷贝 和 内核调度，队列的操作比直接读写全局变量要慢得多（微秒级 vs 纳秒级）。

大块数据传输（如摄像头图像）：不要把几百 KB 的图片直接塞进队列！这会把内存撑爆且拷贝太慢。
- 正确做法：把图片的指针 (Address) 塞进队列。消费者拿到钥匙（指针）后，直接去仓库（内存）取货。
极高频的数据（如 20kHz 电机环路）：队列开销太大。这种场景下，依然会小心翼翼地使用全局变量配合互斥量或关中断。

关键点总结

全局变量：快，但危险。容易发生脏读，缺乏同步机制。
消息队列：安全，解耦。实现了“生产者-消费者”模型，自带缓冲和阻塞唤醒机制。
原则：任务间传命令、传状态、传少量数据，首选队列。

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