核心概念

Callback Group（回調組）是一個管理一個或多個回調函數執行規則的容器。它決定了這些回調函數是如何被節點（Node）的 executor 調度的，特別是當多個回調函數同時就緒時，它們之間是并行執行還是必須串行執行。

理解回調組的關鍵在于理解它與 Executor 的交互。Executor 是 ROS 2 中負責檢查訂閱、定時器、服務、動作服務器等是否就緒，并調用其對應回調函數的組件。

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為什么需要 Callback Group？

例如一個節點，它有以下組件：

• 一個激光雷達（Lidar）訂閱者：回調函數 lidar_callback，處理高頻、數據量大的點云數據。
• 一個鍵盤輸入訂閱者：回調函數 keyboard_callback，處理用戶偶爾的按鍵輸入。
• 一個服務服務器：回調函數 save_data_service_callback，處理保存數據的請求。

如果沒有回調組，所有回調函數默認都在同一個組里。當 Executor 發現多個回調函數同時就緒時（例如，正在處理激光數據時用戶按下了鍵），它會將它們全部放入一個隊列，然后逐個執行。

這可能會導致一個問題：處理龐大的激光雷達數據可能會阻塞 keyboard_callback 或 save_data_service_callback 很長時間，導致用戶輸入或服務請求響應非常遲鈍，體驗很差。

回調組就是為了解決這種回調函數之間的相互干擾問題而設計的。

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回調組的類型

ROS 2 主要提供了兩種類型的回調組：

1. Mutually Exclusive (互斥型) - 默認類型

• 行為：屬于同一個互斥組的所有回調函數不能同時執行。Executor 會像處理一個隊列一樣，一次只執行其中一個。
• 類比：單線程。任務一個接一個地做。
• 適用場景：這是最常用也是默認的類型。適用于回調函數之間沒有嚴格的實時性要求，或者它們會訪問共享資源需要互斥鎖保護的情況。

2. Reentrant (可重入型)

• 行為：屬于同一個可重入組的所有回調函數可以同時被執行。Executor 會盡可能同時調用它們（如果系統有多個CPU核心，則真正并行）。
• 警告：使用此類型需要非常小心。你必須確保回調函數是線程安全的。如果它們會訪問共享的變量或資源，你必須自己使用鎖（如 std::mutex）來保護，否則會導致數據競爭和未定義行為。
• 類比：多線程。多個任務可以同時進行。
• 適用場景：適用于那些相互獨立、沒有共享數據、且對實時性要求很高的回調函數。例如，一個控制電機的高頻定時器回調和一個發布狀態的低頻定時器回調。

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使用回調組

你需要在創建訂閱者、定時器、服務等之前先創建回調組，然后在創建這些對象時將回調組作為參數傳入。

以下是 C++ 和 Python 的示例代碼：

C++ 示例

#include “rclcpp/rclcpp.hpp”class MyNode : public rclcpp::Node {
public:MyNode() : Node(”my_node”) {// 1. 創建回調組// 互斥型 (默認就是這個，顯式寫出更清晰)mutually_exclusive_group_ = this- >create_callback_group(rclcpp::CallbackGroupType::MutuallyExclusive);// 可重入型reentrant_group_ = this- >create_callback_group(rclcpp::CallbackGroupType::Reentrant);// 2. 設置選項，在創建對象時指定所屬的回調組rclcpp::SubscriptionOptions options;options.callback_group = mutually_exclusive_group_;// 創建訂閱者，并指定它屬于 mutually_exclusive_group_lidar_sub_ = this- >create_subscription< sensor_msgs::msg::LaserScan >(”/scan”, 10,std::bind(&MyNode::lidar_callback, this, std::placeholders::_1),options); // 傳入 options// 對于不需要特殊選項的對象，可以直接傳遞 callback_group 參數// 這個定時器屬于 reentrant_group_，可以和上面的訂閱者并行執行timer_ = this- >create_wall_timer(std::chrono::seconds(1),std::bind(&MyNode::timer_callback, this),reentrant_group_); // 直接傳入回調組}private:void lidar_callback(const sensor_msgs::msg::LaserScan::SharedPtr msg) {// 處理激光數據，可能很耗時}void timer_callback() {// 定時執行的任務}rclcpp::CallbackGroup::SharedPtr mutually_exclusive_group_;rclcpp::CallbackGroup::SharedPtr reentrant_group_;rclcpp::Subscription< sensor_msgs::msg::LaserScan >::SharedPtr lidar_sub_;rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
};int main(int argc, char * argv[]) {rclcpp::init(argc, argv);auto node = std::make_shared< MyNode >();rclcpp::spin(node);rclcpp::shutdown();return 0;
}

回調組與執行器（Executor）的配合

• SingleThreadedExecutor：即使是可重入組，回調函數也無法真正并行，因為只有一個線程。但 Executor 會通過技巧（如在等待服務響應時切換到其他可執行回調）來模擬并發，提高響應效率。
• MultiThreadedExecutor：這是發揮可重入組威力的地方。該執行器內部有一個線程池。當一個可重入組有多個回調就緒時，執行器可以從線程池中取出多個線程來真正并行地執行它們。

最佳實踐：如果你使用了可重入回調組，通常應該配合 MultiThreadedExecutor 來使用，以實現真正的并行處理。

總結

特性	Mutually Exclusive (互斥)	Reentrant (可重入)
執行方式	串行	并行
線程安全	不需要額外考慮（默認安全）	必須自行保證線程安全
性能	可能因長回調導致阻塞	響應性更好，資源利用率更高
適用場景	默認選擇，共享資源需保護	實時性要求高，回調間完全獨立

核心：Callback Group 是一種強大的工具，讓你能夠精細地控制節點內部回調函數的執行流程，從而優化節點的響應性和性能，避免不必要的阻塞。在設計復雜的節點時，合理地使用回調組是非常重要的一環。