ROS2 topic订阅机制及误区释疑

topic订阅是ROS中最重要最基本的数据传递机制，无论是ROS的官方文档，还是国内一些进行ROS教育的先锋，都没有把topic的订阅机制解释清楚，甚至有些资料中进行了错误的介绍，使得开发者对topic的使用停留在较为粗浅的状态，没办法把topic的功能完全挖掘出来。
本文通过实例完整的解释topic的订阅机制，也把目前对topic使用中一些误区进行纠正。

初步实例：

topic的publish节点代码：

import rclpy                       
from rclpy.node import Node         
from sensor_msgs.msg import Image  
from cv_bridge import CvBridge     
import cv2                        

class ImagePublisher(Node):

    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)                                           
        self.publisher_ = self.create_publisher(Image, 'chatter1', 10)  
        self.timer = self.create_timer(0.1, self.timer_callback)         
        self.cap = cv2.VideoCapture(0)                                 
        self.cv_bridge = CvBridge()                                    

    def timer_callback(self):
        ret, frame = self.cap.read()                                 
        
        if ret == True:                                                
            self.publisher_.publish(
                self.cv_bridge.cv2_to_imgmsg(frame, 'bgr8'))       

        self.get_logger().info('Publishing video frame')              

def main(args=None):                                
    rclpy.init(args=args)                            
    node = ImagePublisher("topic_webcam_pub")       
    rclpy.spin(node)                                
    node.destroy_node()                             
    rclpy.shutdown()     

topic的subscription节点代码：

import rclpy                              
from rclpy.node   import Node              
from std_msgs.msg import String               

class SubscriberNode(Node):
    
    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)                           
        self.sub = self.create_subscription(\
            String, "chatter1", self.listener_callback, 10)     

    def listener_callback(self, msg):                         
        self.get_logger().info('I heard: "%s"' % msg.data)  
        
def main(args=None):                           
    rclpy.init(args=args)                           
    node = SubscriberNode("topic_helloworld_sub")   
    rclpy.spin(node)                    
    node.destroy_node()                            
    rclpy.shutdown() 

从这2个节点代码中可以看到，publish节点代码中定义的topic名为chatter1，消息类型是图像， subscription节点代码中订阅的topic名也为chatter1，但是消息类型是字符串，按照道理讲 subscription节点肯定是无法处理publish节点传来的数据的。
下面分别运行2个节点，看一下结果：


从运行结果看，2个节点都能正常运行，其中publish节点可以正常发布消息，subscription也能启动节点，但是因为接收到的数据类型与定义的数据类型不一致，回调函数无法输出信息，所以在终端上看不到处理的结果。
通过ros2 node list和ros2 topic list两个命令进行查看：

从上图中可以看出，2个节点正常运行，存在的topic也有chatter1。这个实例说明ROS中topic中的数据传递是依靠topic的名称实现publish和subscription之间的联系，但是ROS没有负责对传递过程的数据进行监督的，这个功能由节点自己负责。

进一步的实例验证：

在上面这个例子的基础上，再增加一个publish节点，代码如下：

import rclpy                                   
from rclpy.node import Node                   
from std_msgs.msg import String         
from std_msgs.msg import Int32

class PublisherNode(Node):
    
    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)                 
        self.pub = self.create_publisher(String, "chatter1", 10)  
        self.i=0
        self.timer = self.create_timer(0.5, self.timer_callback) 
        
    def timer_callback(self):          
        msg = String()
        s='hello world'+str(self.i)     
        msg.data = s                  
        self.i+=1                                  
        self.pub.publish(msg)        
        self.get_logger().info('Publishing: "%s"' % msg.data)   
        
def main(args=None):                     
    rclpy.init(args=args)            
    node = PublisherNode("topic_helloworld_pub")  
    rclpy.spin(node)                   
    node.destroy_node()             
    rclpy.shutdown() 

从增加的这第3个节点代码中可以看到，这又是一个publish节点，代码中定义的topic名也为chatter1，消息类型是字符串。
下面分别运行3个节点，看一下结果：



从这里可以看出3个节点都正常运行，并且在2个publish节点发布的topic名称一样的条件下，subscription节点订阅到了对应消息。
通过ros2 node list和ros2 topic list两个命令进行查看：

通过上图可以发现3个节点正常运行，存在的topic也有chatter1。通过这个例子进一步说明，ROS2在topic重名的条件下，subscription依然可以通过对应的消息类型订阅到相关的数据。

更进一步的实例验证：

将发布视频消息的publish节点，更换为以下代码：

import rclpy                           
from rclpy.node import Node                
from std_msgs.msg import String             

class PublisherNode(Node):
    
    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)                                    
        self.pub = self.create_publisher(String, "chatter1", 10)   
        self.timer = self.create_timer(0.5, self.timer_callback) 
        
    def timer_callback(self):                                 
        msg = String()                                            
        msg.data = 'test words for chatter1'                            
        self.pub.publish(msg)                                 
        self.get_logger().info('Publishing: "%s"' % msg.data)  
        
def main(args=None):             
    rclpy.init(args=args)                   
    node = PublisherNode("topic_test_pub")    
    rclpy.spin(node)                            
    node.destroy_node()                         
    rclpy.shutdown()

通过这个代码可以知道，发布的topic名称为chatter1，发布的消息类型为字符串，内容为“test words for chatter1”。
在这个实例中，发布“hello world”的节点，以及订阅chatter1的节点仍然保留。也就是在这个实例中，有2个节点发布名字同为chatter1的topic，然后subscription进行订阅。
下面来看一下运行结果：



通过ros2 node list和ros2 topic list两个命令进行查看：

这3个节点依然可以正常运行，由于2个节点发布的topic名称一样，消息类型也是一致的，所以subscription节点同时可以接收到2个publish节点发布的消息。
这是特别极端的一个实例了，这说明ROS在topic名称一致，消息类型也符合的情况，就可以接收消息，即使有2个节点同时发布，subscription依然可以接收，以此类推，多个节点同时发布，topic名称一致，消息类型也符合的情况，subscription也依然可以接收。

总结：

很多人在学ROS时，都认为ROS不允许topic重名，但实际上ROS没有限制topic不可以重名，topic重名的条件下，节点仍然可以运行，并不会报错，而且可以正常接收数据，只不过数据能不能正常进行处理，就看subscription是怎么定义功能的了。
总结起来ROS进行topic订阅需要符合以下条件：
(1) publish和subscription能不能配合形成topic数据通道，是靠topic的名称来进行联系的，只要topic名称一致，二者就能配合成topic；
(2) 在topic名称一致的条件下，subscription能不能正常处理接收来数据，还取决于publish和subscription使用的消息类型是否一致，ROS系统本身不对消息类型是否一致进行检查，从代码的异常定义角度来说，开发者需要自己在subscription中进行检查；
(3) 在topic名称和消息类型一致的条件下，一个publish可以对多个subscription，同样，多个publish也可以对一个subscription；
(4) 因为ROS没有限制topic不可以重名，所以开发者可以使用topic重名这个条件实现一些特别的功能，只不过在使用这个条件时应该防止功能冲突；
(5) ROS中的service、action应该也具备类似的机制，不过暂未进行验证，谨慎使用。