FreeRTOS队列：入队与出队详解

一、基本概念

入队（Enqueue）：向队列中添加数据（发送消息）出队（Dequeue）：从队列中获取数据（接收消息）

FreeRTOS队列采用FIFO（先进先出）机制，是任务间通信的核心方式。队列存储的是数据的拷贝，而非指针，确保了数据安全。

二、队列数据结构

队列的核心结构体Queue_t包含以下关键成员：

typedef struct QueueDefinition { int8_t *pcHead; // 指向队列存储区开始地址 int8_t *pcWriteTo; // 指向存储区中下一个空闲位置 union { QueuePointers_t xQueue; // 队列相关数据 SemaphoreData_t xSemaphore; // 信号量相关数据 } u; List_t xTasksWaitingToSend; // 等待发送任务列表（按优先级排序） List_t xTasksWaitingToReceive; // 等待接收任务列表（按优先级排序） volatile UBaseType_t uxMessagesWaiting; // 当前队列中消息数量 UBaseType_t uxLength; // 队列长度（最大可存储消息数） UBaseType_t uxItemSize; // 每个消息的大小 volatile int8_t cRxLock; // 接收锁 } Queue_t;

队列空/满判断

• 队列为空：pcWriteTo == pcReadFrom
• 队列已满：pcWriteTo + itemSize == pcReadFrom（考虑回绕）

三、入队操作

1. 入队函数

// 向队列尾部入队（默认方式） BaseType_t xQueueSendToBack(QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait); // 向队列头部入队 BaseType_t xQueueSendToFront(QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait); // 覆写入队（仅当队列长度为1时有效） BaseType_t xQueueOverwrite(QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToQueue);

2. 入队操作原理

1. 检查队列状态：

   • 如果队列未满，继续入队
   • 如果队列已满，根据等待时间决定处理方式

2. 数据拷贝：

   • 调用prvCopyDataToQueue将数据从源地址拷贝到队列存储区
   • uxMessagesWaiting（消息数量）+1

3. 任务唤醒：

   • 如果有任务在等待接收（xTasksWaitingToReceive非空）
   • 将等待接收任务从阻塞态唤醒，加入就绪队列
   • 调用vTaskMissedYield()进行任务切换

4. 队列满处理：

   • 如果等待时间不为0，将当前任务加入等待发送列表
   • 如果等待时间=0，直接返回errQUEUE_FULL

3. 入队阻塞机制

四、出队操作

1. 出队函数

// 从队列接收数据（出队并删除数据） BaseType_t xQueueReceive(QueueHandle_t xQueue, void *pvBuffer, TickType_t xTicksToWait); // 从队列读取数据（出队但不删除数据） BaseType_t xQueuePeek(QueueHandle_t xQueue, void *pvBuffer, TickType_t xTicksToWait);

2. 出队操作原理

1. 检查队列状态：

   • 如果队列非空，继续出队
   • 如果队列为空，根据等待时间决定处理方式

2. 数据拷贝：

   • 将队列中的数据拷贝到接收缓冲区
   • uxMessagesWaiting（消息数量）-1

3. 任务唤醒：

   • 如果有任务在等待发送（xTasksWaitingToSend非空）
   • 将等待发送任务从阻塞态唤醒，加入就绪队列
   • 调用vTaskMissedYield()进行任务切换

4. 队列空处理：

   • 如果等待时间不为0，将当前任务加入等待接收列表
   • 如果等待时间=0，直接返回errQUEUE_EMPTY

3. 出队阻塞机制

五、入队与出队的对比

六、实际使用示例

入队示例（发送消息）

// 创建队列 QueueHandle_t xQueue = xQueueCreate(5, sizeof(uint32_t)); // 任务中发送消息 void SenderTask(void *pvParameters) { uint32_t data = 0; while(1) { data++; // 向队列尾部发送数据，阻塞等待10个tick if(xQueueSendToBack(xQueue, &data, 10) != pdPASS) { // 队列满，处理错误 } } }

出队示例（接收消息）

// 任务中接收消息 void ReceiverTask(void *pvParameters) { uint32_t data; while(1) { // 从队列头部接收数据，永久阻塞 if(xQueueReceive(xQueue, &data, portMAX_DELAY) == pdPASS) { // 处理接收到的数据 } } }

七、关键注意事项

1. 数据拷贝：队列存储的是数据的拷贝，不是指针。传递大结构体时，建议使用指针传递（传递结构体地址），但需确保指针指向的数据在队列处理期间有效。

2. 队列长度：合理设置队列长度，过小会导致频繁阻塞，过大则浪费内存。

3. 阻塞时间：根据应用需求设置合适的阻塞时间，避免任务长时间阻塞。

4. 中断安全：在中断中操作队列，必须使用xQueueSendFromISR和xQueueReceiveFromISR。

5. 队列空/满检测：使用uxQueueMessagesWaiting()和uxQueueSpacesAvailable()查询队列状态，避免数据丢失。

八、队列工作流程图

任务A（发送） 队列 任务B（接收） | | | | 入队操作 | | |----------------->| | | | | | | | | | 入队成功 | | |--------------->| | | | | | | | | | | | 出队操作 | | |<---------------| | | | | | |

入队和出队操作确保了任务间的解耦，使系统设计更加清晰、灵活，是FreeRTOS中实现任务间通信的关键机制。