一.概述

1.介紹

??隊列(queue)可以用于"任務到任務"、“任務到中斷”、"中斷到任務"直接傳輸信息。

2.核心功能

線程安全：自動處理多任務訪問時的互斥問題。

數據復制：入隊時復制數據（而非引用），避免內存共享風險。

阻塞機制：當隊列滿 / 空時，任務可選擇阻塞等待。

優先級支持：高優先級任務優先獲取隊列資源。

3.關鍵屬性

固定長度：創建時需指定隊列長度（元素個數）。

固定大小：每個元素的字節數固定（如sizeof(int)）。

先進先出（FIFO）：默認按入隊順序出隊（也支持 LIFO）。

4.原理圖

二.隊列的基本操作

1.創建

隊列的創建有兩種方法：動態分配內存、靜態分配內存，

（1）動態分配內存：xQueueCreate，隊列的內存在函數內部動態分配

QueueHandle_t xQueueCreate( UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize );

（2）靜態分配內存：xQueueCreateStatic，隊列的內存要事先分配好

QueueHandle_t xQueueCreateStatic(

???????????????????????????UBaseType_t uxQueueLength,

???????????????????????????UBaseType_t uxItemSize,

???????????????????????????uint8_t *pucQueueStorageBuffer,

???????????????????????????StaticQueue_t *pxQueueBuffer

???????????????????????);

（3）示例代碼：

// 示例代碼

?#define QUEUE_LENGTH 10

?#define ITEM_SIZE sizeof( uint32_t )

?// xQueueBuffer用來保存隊列結構體

?StaticQueue_t xQueueBuffer;

?// ucQueueStorage 用來保存隊列的數據

?// 大小為：隊列長度 * 數據大小

?uint8_t ucQueueStorage[ QUEUE_LENGTH * ITEM_SIZE ];

?void vATask( void *pvParameters )

?{

QueueHandle_t xQueue1;

// 創建隊列: 可以容納QUEUE_LENGTH個數據，每個數據大小是ITEM_SIZE

xQueue1 = xQueueCreateStatic( QUEUE_LENGTH,

??ITEM_SIZE,

??ucQueueStorage,

??&xQueueBuffer );

?}

2.復位

隊列剛被創建時，里面沒有數據；使用過程中可以調用xQueueReset()把隊列恢復為初始狀態，此函數原型為：

/* pxQueue : 復位哪個隊列;

?* 返回值: pdPASS(必定成功)

?*/

BaseType_t xQueueReset( QueueHandle_t pxQueue);

3.刪除

刪除隊列的函數為vQueueDelete()，只能刪除使用動態方法創建的隊列，它會釋放內存。原型如下：

void vQueueDelete( QueueHandle_t xQueue );

4.寫隊列

可以把數據寫到隊列頭部，也可以寫到尾部，這些函數有兩個版本：在任務中使用、在ISR中使用。函數原型如下：

/* 等同于xQueueSendToBack

?* 往隊列尾部寫入數據，如果沒有空間，阻塞時間為xTicksToWait

?*/

BaseType_t xQueueSend(

????????????????????????????????QueueHandle_t ???xQueue,

????????????????????????????????const void ??????*pvItemToQueue,

????????????????????????????????TickType_t ??????xTicksToWait

????????????????????????????);

/*

?* 往隊列尾部寫入數據，如果沒有空間，阻塞時間為xTicksToWait

?*/

BaseType_t xQueueSendToBack(

????????????????????????????????QueueHandle_t ???xQueue,

????????????????????????????????const void ??????*pvItemToQueue,

????????????????????????????????TickType_t ??????xTicksToWait

????????????????????????????);

/*

?* 往隊列尾部寫入數據，此函數可以在中斷函數中使用，不可阻塞

?*/

BaseType_t xQueueSendToBackFromISR(

??????????????????????????????????????QueueHandle_t xQueue,

??????????????????????????????????????const void *pvItemToQueue,

??????????????????????????????????????BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken

???????????????????????????????????);

/*

?* 往隊列頭部寫入數據，如果沒有空間，阻塞時間為xTicksToWait

?*/

BaseType_t xQueueSendToFront(

????????????????????????????????QueueHandle_t ???xQueue,

????????????????????????????????const void ??????*pvItemToQueue,

????????????????????????????????TickType_t ??????xTicksToWait

????????????????????????????);

/*

?* 往隊列頭部寫入數據，此函數可以在中斷函數中使用，不可阻塞

?*/

BaseType_t xQueueSendToFrontFromISR(

??????????????????????????????????????QueueHandle_t xQueue,

??????????????????????????????????????const void *pvItemToQueue,

??????????????????????????????????????BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken

???????????????????????????????????);

5 讀隊列

使用xQueueReceive()函數讀隊列，讀到一個數據后，隊列中該數據會被移除。這個函數有兩個版本：在任務中使用、在ISR中使用。函數原型如下：

BaseType_t xQueueReceive( QueueHandle_t xQueue,

??????????????????????????void * const pvBuffer,

??????????????????????????TickType_t xTicksToWait );

BaseType_t xQueueReceiveFromISR(

????????????????????????????????????QueueHandle_t ???xQueue,

????????????????????????????????????void ????????????*pvBuffer,

????????????????????????????????????BaseType_t ??????*pxTaskWoken

????????????????????????????????);

6.查詢

可以查詢隊列中有多少個數據、有多少空余空間。函數原型如下：

/*

?* 返回隊列中可用數據的個數

?*/

UBaseType_t uxQueueMessagesWaiting( const QueueHandle_t xQueue );

/*

?* 返回隊列中可用空間的個數

?*/

UBaseType_t uxQueueSpacesAvailable( const QueueHandle_t xQueue );

7.覆蓋/偷看

當隊列長度為1時，可以使用xQueueOverwrite()或xQueueOverwriteFromISR()來覆蓋數據。

注意，隊列長度必須為1。當隊列滿時，這些函數會覆蓋里面的數據，這也以為著這些函數不會被阻塞。

函數原型如下：

/* 覆蓋隊列

?* xQueue: 寫哪個隊列

?* pvItemToQueue: 數據地址

?* 返回值: pdTRUE表示成功, pdFALSE表示失敗

?*/

BaseType_t xQueueOverwrite(

???????????????????????????QueueHandle_t xQueue,

???????????????????????????const void * pvItemToQueue

??????????????????????);

BaseType_t xQueueOverwriteFromISR(

???????????????????????????QueueHandle_t xQueue,

???????????????????????????const void * pvItemToQueue,

???????????????????????????BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken

??????????????????????);

8.隊列的基本使用

本程序會創建一個隊列，然后創建2個發送任務、1個接收任務：

發送任務優先級為1，分別往隊列中寫入100、200

接收任務優先級為2，讀隊列、打印數值

（1）main函數中創建的隊列、創建了發送任務、接收任務，代碼如下：

/* 隊列句柄, 創建隊列時會設置這個變量 */

QueueHandle_t xQueue;

int main( void )

{

prvSetupHardware();

????/* 創建隊列: 長度為5，數據大小為4字節(存放一個整數) */

????xQueue = xQueueCreate( 5, sizeof( int32_t ) );

if( xQueue != NULL )

{

/* 創建2個任務用于寫隊列, 傳入的參數分別是100、200

?* 任務函數會連續執行，向隊列發送數值100、200

?* 優先級為1

?*/

xTaskCreate( vSenderTask, "Sender1", 1000, ( void * ) 100, 1, NULL );

xTaskCreate( vSenderTask, "Sender2", 1000, ( void * ) 200, 1, NULL );

/* 創建1個任務用于讀隊列

?* 優先級為2, 高于上面的兩個任務

?* 這意味著隊列一有數據就會被讀走

?*/

xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 2, NULL );

/* 啟動調度器 */

vTaskStartScheduler();

}

else

{

/* 無法創建隊列 */

}

/* 如果程序運行到了這里就表示出錯了, 一般是內存不足 */

return 0;

}

（2）發送任務的函數中，不斷往隊列中寫入數值，代碼如下：

static void vSenderTask( void *pvParameters )

{

int32_t lValueToSend;

BaseType_t xStatus;

/* 我們會使用這個函數創建2個任務

?* 這些任務的pvParameters不一樣

? ?*/

lValueToSend = ( int32_t ) pvParameters;

/* 無限循環 */

for( ;; )

{

/* 寫隊列

?* xQueue: 寫哪個隊列

?* &lValueToSend: 寫什么數據? 傳入數據的地址, 會從這個地址把數據復制進隊列

?* 0: 不阻塞, 如果隊列滿的話, 寫入失敗, 立刻返回

?*/

xStatus = xQueueSendToBack( xQueue, &lValueToSend, 0 );

if( xStatus != pdPASS )

{

printf( "Could not send to the queue.\r\n" );

}

}

}

（3）接收任務的函數中，讀取隊列、判斷返回值、打印，代碼如下：

static void vReceiverTask( void *pvParameters )

{

/* 讀取隊列時, 用這個變量來存放數據 */

int32_t lReceivedValue;

BaseType_t xStatus;

const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 100UL );

/* 無限循環 */

for( ;; )

{

/* 讀隊列

?* xQueue: 讀哪個隊列

?* &lReceivedValue: 讀到的數據復制到這個地址

?* xTicksToWait: 如果隊列為空, 阻塞一會

?*/

xStatus = xQueueReceive( xQueue, &lReceivedValue, xTicksToWait );

if( xStatus == pdPASS )

{

/* 讀到了數據 */

printf( "Received = %d\r\n", lReceivedValue );

}

else

{

/* 沒讀到數據 */

printf( "Could not receive from the queue.\r\n" );

}

}

}

三.郵箱

1.FreeRTOS的郵箱概念跟別的RTOS不一樣，這里的郵箱稱為"櫥窗"也許更恰當：

它是一個隊列，隊列長度只有1；

寫郵箱：新數據覆蓋舊數據，在任務中使用xQueueOverwrite()，在中斷中使用xQueueOverwriteFromISR()。

既然是覆蓋，那么無論郵箱中是否有數據，這些函數總能成功寫入數據。

讀郵箱：讀數據時，數據不會被移除；在任務中使用xQueuePeek()，在中斷中使用xQueuePeekFromISR()。

這意味著，第一次調用時會因為無數據而阻塞，一旦曾經寫入數據，以后讀郵箱時總能成功。

2.代碼示例

main函數中創建了隊列(隊列長度為1)、創建了發送任務、接收任務：

發送任務的優先級為2，它先執行

接收任務的優先級為1

代碼如下：

/* 隊列句柄, 創建隊列時會設置這個變量 */

QueueHandle_t xQueue;

int main( void )

{

prvSetupHardware();

????/* 創建隊列: 長度為1，數據大小為4字節(存放一個char指針) */

????xQueue = xQueueCreate( 1, sizeof(uint32_t) );

if( xQueue != NULL )

{

/* 創建1個任務用于寫隊列

?* 任務函數會連續執行，構造buffer數據，把buffer地址寫入隊列

?* 優先級為2

?*/

xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL );

/* 創建1個任務用于讀隊列

?* 優先級為1

?*/

xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, NULL );

/* 啟動調度器 */

vTaskStartScheduler();

}

else

{

/* 無法創建隊列 */

}

/* 如果程序運行到了這里就表示出錯了, 一般是內存不足 */

return 0;

}

發送任務、接收任務的代碼和執行流程如下：

運行結果如下圖所示：

四.隊列與其他 FreeRTOS 對象的對比

五.隊列的性能考慮

1.內存開銷：

隊列本身的控制結構（約 40 字節）。

數據緩沖區（長度 × 元素大小）。

3.復制開銷：

入隊 / 出隊時復制數據，大元素（如結構體）會影響性能。

優化方案：傳遞指針而非完整數據（需確保內存安全）。

3.阻塞喚醒開銷：

任務從阻塞到就緒的上下文切換成本。