单片机中非常实用的数据结构 — 消息队列

sunsili

单片机中非常实用的数据结构 — 消息队列


在嵌入式开发中经常会看到消息队列的身影，队列的应用是很广泛的，它可以应用的场景有很多，比如缓存通信消息，暂存执行内容，数据顺序转发等的操作。
那到底什么是队列呢？

队列属于一种线性表的数据结构，跟栈有些类似，但是又不相同。队列的不同之处在于它只允许在一端（front）进行删除操作，而在另外一端（rear）进行插入操作，是一种有约束的线性表结构。在队列中进行插入一端称为队列尾，进行删除操作的一端称为队列头。

总而言之：

• 队头：指的是允许元素被删除的一端；
• 队尾：指的是允许元素被插入的一端；
• 入队：队列的插入操作。
• 出队：队列的删除操作。
• 空队：队列中没有任何元素时称为空队列。
  

队列的示意图参见下面：

在开发中，特别是涉及到消息数据的接收或者发送的时候，消息多的时候可能MCU一时半会处理不来，就需要考虑先将消息先接收并缓存起来，然后由MCU按照消息的先后顺序一一去处理，这种情况下队列就是比较好的选择。

队列的实现可以自己写一个，也可以参考网上别人实现的开源代码，原理都是差不多的，只是要注意一点：消息的结构的要按照自己的实际使用需求进行定义。

本文分享一个guthub上的消息队列的实现：

仓库链接如下：

https://github.com/xiaoxinpro/QueueForMcu

这个队列是基于单片机实现的队列功能模块，可以用于8位、16位、32位的单片机，特别适合应用在非RTOS的单片机应用中，可以兼容大多数的单片机平台，对资源比较稀缺的单片机也是可以应用的。

这个队列功能模块的使用方式如下：

1、定义队列的消息结构

队列的消息结构定义如下：

1. 
   
2. typedef struct QUEUE_HandleTypeDef{
   
3.     unsigned int head;                    //队列头指针
   
4.     unsigned int tail;                      //队列尾指针
   
5.     unsigned int buffer_length;       //队列缓存长度（初始化时赋值）
   
6.     QUEUE_DATA_T * buffer;         //队列缓存数组（初始化时赋值）
   
7. }QUEUE_HandleTypeDef;

复制代码

在上面的消息结构中，QUEUE_DATA_T 需要自定义为自己项目中需要用到的数据类型。

在queue.h文件中可以找到 QUEUE_DATA_T 的定义如下：

1. #define QUEUE_DATA_T  unsigned char         //队列数据类型定义

复制代码

修改这个数据类型的定义即可。

2、创建队列的缓存

在创建队列前要手动创建一个队列缓存区，用于存放队列数据。如下创建一个大小为 512 的队列缓存区。

1. QUEUE_DATA_T BufferUartTx[512];

复制代码

3、初始化队列

队列的缓存区定义好以后，就需要调用初始化函数来进行队列的创建，初始化函数如下：

1. void Queue_Init(QUEUE_HandleTypeDef * hqueue, QUEUE_DATA_T * buffer, unsigned int len)

复制代码

参数说明：

参数名	描述
hqueue	需要初始化的队列结构，如果二次初始化将清空原队列的内容。
buffer	队列缓存的首地址指针
len	队列长度，不能比队列缓存长度还要大。

返回值说明：

该函数会返回一个 QUEUE_StatusTypeDef 枚举数据类型，返回值会根据队列状态返回以下几个值：

返回值	描述
QUEUE_OK	数据压入队列成功。
QUEUE_OVERLOAD	未压入数据到队列中，原因队列已满。

4、数据压入队列

（1）单个消息压入队列

将数据压入队列尾部使用 Queue_Push 函数，该函数原型如下：

1. QUEUE_StatusTypeDef Queue_Push(QUEUE_HandleTypeDef * hqueue, QUEUE_DATA_T data)

复制代码

参数说明：

参数名	描述
hqueue	需要压入数据的队列结构。
data	待压入队列的数据。

返回值说明：

该函数会返回一个 QUEUE_StatusTypeDef 枚举数据类型，返回值会根据队列状态返回以下几个值：

返回值	描述
QUEUE_OK	数据压入队列成功。
QUEUE_OVERLOAD	未压入数据到队列中，原因队列已满。

（2）多个消息压入队列

若需要将多个数据（数组）压入队列可以使用 Queue_Push_Array 函数，原理上循环调用 Queue_Push 函数来实现的，函数原型如下：

1. unsigned int Queue_Push_Array(QUEUE_HandleTypeDef * hqueue, QUEUE_DATA_T * pdatas, unsigned int len)

复制代码

参数说明：

参数名	描述
hqueue	需要压入数据的队列结构。
pdatas	待压入队列的数组首地址。
len	待压入队列的数组长度。

当数组长度大于队列剩余长度时，数组多余的数据将被忽略。

返回值说明：
该函数将返回实际被压入到队列中的数据长度。当队列中的剩余长度富余时，返回值将等于参数 len 的值。当队列中的剩余长度不足时，返回值为实际被压入到队列的数据长度。

5、消息出队

（1）单数据弹出

将队列头部数据弹出队列使用 Queue_Pop 函数，需要注意的是，弹出的数据将从队列中删除，该函数原型如下：

1. QUEUE_StatusTypeDef Queue_Pop(QUEUE_HandleTypeDef * hqueue, QUEUE_DATA_T * pdata)

复制代码

参数说明：

参数名	描述
hqueue	需要弹出数据的队列结构。
pdata	用于保存弹出数据变量的指针。

返回值说明：

该函数会返回一个 QUEUE_StatusTypeDef 枚举数据类型，返回值会根据队列状态返回以下几个值：

返回值	描述
QUEUE_OK	数据弹出队列成功。
QUEUE_VOID	未弹出数据到队列中，原因队列为空。

（2）多数据弹出

若需要将多个数据弹出队列可以使用 Queue_Pop_Array 函数，原理上循环调用 Queue_Pop 函数来实现的，需要注意的是，成功弹出的数据将从队列中删除，函数原型如下：

1. unsigned int Queue_Pop_Array(QUEUE_HandleTypeDef * hqueue, QUEUE_DATA_T * pdatas, unsigned int len)

复制代码

参数说明：

参数名	描述
hqueue	需要弹出数据的队列结构。
pdatas	用于保存弹出数据数组的首地址。
len	需要弹出数据数组的长度。

当需要弹出数据的长度大于队列中的数据长度时，弹出数组多余的空间将不会被赋值。

返回值说明：
该函数将返回实际从队列中弹出的数据长度。当队列中的数据长度足够时，返回值将等于参数 len 的值。当队列中的数据长度不足时，返回值为实际从队列中弹出的数据长度。

6、清空队列

当需要清空队列数据时，无需弹出所有数据，只需要调用 Queue_Clear 即可快速清空指定队列，在创建队列时会调用此函数来初始化队列，因此对于刚创建完成的队列无需调用清空队列函数。

函数原型：

1. void Queue_Clear(QUEUE_HandleTypeDef * hqueue)

复制代码

参数说明：

参数名	描述
hqueue	需要清空的队列结构。

7、获取队列的数据量长度

当需要获取队列中的数据长度时，调用 Queue_Count 函数，函数原型如下：

1. unsigned int Queue_Count(QUEUE_HandleTypeDef * hqueue)

复制代码

参数说明：

参数名	描述
hqueue	需要获取数据长度的队列结构。

返回值说明：
该函数将返回队列中的数据长度。返回值范围在0到创建队列时的长度之间。特此感谢各路大佬分享的开源代码，让我们广大开发者有机会学习和使用到更多使用的项目开发技巧，更加方便我们的开发工作。