环形队列原理（环形队列使用场景）

大家好，我是讯享网，很高兴认识大家。

 <p> 单片机开发过程中通常会用到“消息队列”，一般实现的方法有多种。 本文给大家分享一下队列实现的原理和机制。</p>

讯享网

讯享网<strong>环形队列</strong></p>

环形队列是在实际编程极为有用的数据结构，<strong>它是一个首尾相连的FIFO的数据结构，采用数组的线性空间，数据组织简单，能很快知道队列是否满为空，能以很快速度的来存取数据。</strong></p>

讯享网环形队列通常用于通信领域，比如UART、USB、CAN、网络等。</p>

<strong>1.环形队列实现原理</strong></p>

讯享网内存上没有环形的结构，因此环形队列实上是数组的线性空间来实现。 当数据到了尾部它将转回到0位置来处理。</p>

因此环列队列的逻辑：<strong>将数组元素q[0]与q[MAXN-1]连接，形成一个存放队列的环形空间。</strong></p>

讯享网为了方便读写，还要用数组下标来指明队列的读写位置。 head/tail.其中head指向可以读的位置，tail指向可以写的位置。</p>

<img src='https://file1.elecfans.com/web2/M00/88/B6/wKgZomRwEQeAZHOsAAAztrtbyhU714.jpg' alt='数据结构' /></p>

讯享网环形队列的关键是判断队列为空，还是为满。 当tail追上head时，队列为满时； 当head追上tail时，队列为空。 但如何知道谁追上谁，还需要一些辅助的手段来判断.</p>

如何判断环形队列为空，为满有两种判断方法：</p>

讯享网a.附加一个标志位tag</p>

当head赶上tail，队列空，则令tag=0</p>

讯享网当tail赶上head，队列满，则令tag=1</p>

b.限制tail赶上head，即队尾结点与队首结点之间至少留有一个元素的空间。 </p>

讯享网队列空： head==tail</p>

队列满： (tail+1)% MAXN ==head</p>

讯享网<br /><strong>2.附加标志实现原理</strong></p>

a.采用第一个环形队列有如下结构:</p>

讯享网 </p>

 typedef struct ringq{ int head; /* 头部，出队列方向/ int tail; / 尾部，入队列方向/ int tag ; int size ; / 队列总尺寸 / int space[RINGQ_MAX]; / 队列空间 */ }RINGQ;

初始化状态：

讯享网 q->head = q->tail = q->tag = 0;

队列为空：

 ( q->head == q->tail) && (q->tag == 0)

队列为满：

讯享网 ((q->head == q->tail) && (q->tag == 1))

入队操作，如队列不满，则写入：

 q->tail = (q->tail + 1) % q->size ;

出队操作，如果队列不空，则从head处读出。

下一个可读的位置在：

讯享网 q->head = (q->head + 1) % q->size

b.完整代码

头文件ringq.h:

 #ifndef RINGQ_H #define RINGQ_H #ifdef __cplusplus extern “C” { #endif #define QUEUE_MAX 20 typedef struct ringq{ int head; /* 头部，出队列方向/ int tail; / 尾部，入队列方向/ int tag ; / 为空还是为满的标志位*/ 讯享网int size ; /* 队列总尺寸 */ 
 int space[QUEUE_MAX]; /* 队列空间 */ }RINGQ; /* 第一种设计方法:  当head == tail 时，tag = 0 为空，等于 = 1 为满。 
 */ extern int ringq_init(RINGQ * p_queue); extern int ringq_free(RINGQ * p_queue); /* 加入数据到队列 */ extern int ringq_push(RINGQ * p_queue,int data); /* 从队列取数据 */ extern int ringq_poll(RINGQ * p_queue,int *p_data); #define ringq_is_empty(q) ( (q->head == q->tail) && (q->tag == 0)) #define ringq_is_full(q) ( (q->head == q->tail) && (q->tag == 1)) #define print_ringq(q) printf(“ring head %d,tail %d,tag %d “, q->head,q->tail,q->tag); #ifdef __cplusplus } #endif #endif /* RINGQ_H */

源代码 ringq.c：

讯享网 #include 
 
   
 
  
    
   #include “ringq.h” 
  
    
   
  
    
  int ringq_init(RINGQ * p_queue) { p_queue->size = QUEUE_MAX ; 
  
    
  p_queue->head = 0; p_queue->tail = 0; 
  
    
  p_queue->tag = 0; 
  
    
  return 0; } 
  
    
  int ringq_free(RINGQ * p_queue) { return 0; } 
  
    
  int ringq_push(RINGQ * p_queue,int data) { print_ringq(p_queue); 
  
    
  if(ringq_is_full(p_queue)) { 
  
    
   printf("ringq is full  
  
    
  ”); 
  
    
  讯享网 return -1;  
  
    
  } 
  
    
  p_queue->space[p_queue->tail] = data; 
  
    
  p_queue->tail = (p_queue->tail + 1) % p_queue->size ; 
  
    
  /* 这个时候一定队列满了*/ if(p_queue->tail == p_queue->head) 
  
    
  { p_queue->tag = 1; } return p_queue->tag ;  
  
    
  } 
  
    
  int ringq_poll(RINGQ * p_queue,int * p_data) { print_ringq(p_queue); if(ringq_is_empty(p_queue)) { 
  
    
  讯享网 printf("ringq is empty  
  
    
  ”); 
  
    
  
讯享网 
  
    
   return -1;  
  
    
  } 
  
    
  *p_data = p_queue->space[p_queue->head]; 
  
    
  p_queue->head = (p_queue->head + 1) % p_queue->size ; 
  
    
  讯享网/* 这个时候一定队列空了*/  
  
    
  if(p_queue->tail == p_queue->head) 
  
    
  { p_queue->tag = 0; } return p_queue->tag ;  
  
    
  }

讯享网 </p>

看到源代码，相信大家就明白其中原理了。其实还有不采用tag，或者其他一些标志的方法，这里就不进一步展开讲述了，感兴趣的读者可以自行研究一下。</p>

讯享网<strong>消息队列</strong></p>

在RTOS中基本都有消息队列这个组件，也是使用最常见的组件之一。</p>

讯享网<strong>1.消息队列的基本概念</strong></p>

<strong>消息队列是一种常用于任务间通信的数据结构，队列可以在任务与任务间、中断和任务间传递信息，实现了任务接收来自其他任务或中断的不固定长度的消息。</strong></p>

讯享网通过消息队列服务，任务或中断服务程序可以将一条或多条消息放入消息队列中。同样，一个或多个任务可以从消息队列中获得消息。</p>

使用消息队列数据结构可以实现任务异步通信工作。</p>

讯享网<strong>2.消息队列的特性</strong></p>

<strong>RTOS</strong>消息队列，常见特性：</p>

讯享网消息支持先进先出方式排队，支持异步读写工作方式。</p>

读写队列均支持超时机制。</p>

讯享网消息支持后进先出方式排队，往队首发送消息（LIFO）。</p>

可以允许不同长度（不超过队列节点最大值）的任意类型消息。</p>

讯享网一个任务能够从任意一个消息队列接收和发送消息。</p>

多个任务能够从同一个消息队列接收和发送消息。</p>

讯享网当队列使用结束后，可以通过删除队列函数进行删除。</p>

<strong>3.消息队列的原理</strong></p>

讯享网这里以 FreeRTOS 为例进行说明。FreeRTOS 的消息队列控制块由多个元素组成， <strong>当消息队列被创建时，系统会为控制块分配对应的内存空间，用于保存消息队列的一些信息如消息的存储位置，头指针 pcHead、尾指针 pcTail、消息大小 uxItemSize 以及队列长度 uxLength 等</strong> 。</p>

<img src='https://file1.elecfans.com/web2/M00/88/B6/wKgZomRwEOaAAVkKAAUULUbui9o464.png' alt='数据结构' /></p>

讯享网比如创建消息队列：</p>

 </p>

讯享网 xQueue = xQueueCreate(QUEUE_LEN, QUEUE_SIZE);

 </p>

讯享网任务或者中断服务程序都可以给消息队列发送消息，当发送消息时，如果队列未满或者允许覆盖入队，FreeRTOS 会将消息拷贝到消息队列队尾，否则，会根据用户指定的阻塞超时时间进行阻塞，在这段时间中，如果队列一直不允许入队，该任务将保持阻塞状态以等待队列允许入队。 当其它任务从其等待的队列中读取入了数据（队列未满），该任务将自动由阻塞态转移为就绪态。 当等待的时间超过了指定的阻塞时间，即使队列中还不允许入队，任务也会自动从阻塞态转移为就绪态，此时发送消息的任务或者中断程序会收到一个错误码 errQUEUE_FULL。</p>

发送紧急消息的过程与发送消息几乎一样，唯一的不同是，当发送紧急消息时， 发送的位置是消息队列队头而非队尾，这样，接收者就能够优先接收到紧急消息，从而及时进行消息处理。</p>

讯享网当某个任务试图读一个队列时，其可以指定一个阻塞超时时间。 在这段时间中，如果队列为空，该任务将保持阻塞状态以等待队列数据有效。 当其它任务或中断服务程序往其等待的队列中写入了数据，该任务将自动由阻塞态转移为就绪态。 当等待的时间超过了指定的阻塞时间，即使队列中尚无有效数据，任务也会自动从阻塞态转移为就绪态。</p>

<strong>当消息队列不再被使用时，应该删除它以释放系统资源，一旦操作完成， 消息队列将被永久性的删除。</strong></p>

讯享网消息队列的运作过程具体见下图：</p>

<img src='https://file1.elecfans.com/web2/M00/88/B5/wKgaomRwEMuAEr8ZAAD-lTL-UDw319.png' alt='数据结构' /></p>

讯享网<strong>4.消息队列的阻塞机制</strong></p>

<strong>出队阻塞：</strong> 当且仅当消息队列有数据的时候，任务才能读取到数据，可以指定等待数据的阻塞时间。</p>

讯享网<strong>入队阻塞：</strong> 当且仅当队列允许入队的时候，发送者才能成功发送消息； 队列中无可用消息空间时，说明消息队列已满，此时，系统会根据用户指定的阻塞超时时间将任务阻塞。</p>

假如有多个任务阻塞在一个消息队列中，那么这些阻塞的任务将按照任务优先级进行排序，优先级高的任务将优先获得队列的访问权。</p>

讯享网<strong>“环形队列”和“消息队列”的异同</strong></p>

通过以上分析，你会发现“环形队列”和“消息队列”之间有很多共同点：</p>

讯享网1.他们都是一种数据结构，结构中都包含头、尾、标志等信息；</p>

<strong>2.它们都是分配一块连续的内存空间，且都可以分配多个队列。</strong></p>

讯享网3.应用场景类似，有大量吞吐数据的情况下，比如通信领域。</p>

当然，他们也有一些不同点：</p>

讯享网1.“环形队列”可以独立使用，也可以结合操作系统使用。 而消息队列依赖 <strong>RTOS</strong> （有些RTOS的参数信息）。</p>

2.“环形队列”占用资源更小，更适合于资源较小的系统中。</p>

讯享网3.“消息队列”结合RTOS应用更加灵活，比如延时、中断传输数据等。</p>

最后，这两种队列应用都比较广，建议抽空都研究一下。</p>

讯享网　　审核编辑：汤梓红</p>

 </p>

环形队列原理（环形队列使用场景）

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