单片机软件架构连载(5)-队列

前面讲了指针、结构体之类的基础知识。 这篇内容开始，就要对这些基础知识，做一些复杂的应用了，比如说队列。

其实，在2018年的时候，我录制过一套程序架构的视频，里面有手把手写队列的教程，讲了一系列贴近实际的高阶编程思维和技巧，受到了很多粉丝朋友们的好评和认可。

但由于教程录制的比较早，音质比较差，还有一些细节不够完善。 所以这根刺，一直扎在我的心里，为了让无际单片机特训营的铁子们，在学我们项目时，能更高效，更好地理解，最近计划把这些基础内容，重新梳理一遍，做成一个系列的软件架构2.0图文/视频教程。

1. 为什么我要讲队列？

在做研发工程师时，我经常会碰到一些通讯类的产品，比如工控板，PDU，物联网类的。

一般做这种产品，写接收数据流的时候，都会比较头痛，不管是串口通讯，还是无线通讯。

举个例子，比如STM32接收串口数据流。

在早期，我是定义一个数组，一个数组下标变量，去处理接收的数据流，代码如下：

这种方式，存在很多问题，增加了工程师写代码的复杂性。

• 代码维护起来很麻烦

因为要手动去检查数组缓冲区边界，以避免越界错误，当需要处理更复杂的数据流，或增加新的数据源时，数组不如队列那样容易扩展和维护。

• 数据容易错乱

在中断服务（ISR）中直接操作数组可能会与主程序发生资源竞争，如果多个任务访问同一个数组，需要额外的同步机制（如互斥锁）来避免数据竞争条件和不一致。

如果数据接收和处理不同步，使用数组可能会导致数据顺序混乱，导致程序问题引起的数据丢包。 以前我就被这种问题搞的头嗡嗡响，需要额外的代码去解决这种问题，增加了程序复杂性，而且没经验，费劲巴拉做出来还不稳定。

就这种问题，困扰了我挺长时间，直到后面跳槽，看了别的工程师写的代码，才知道原来队列能解决这些痛点。 从那个时候开始，我处理数据流的方式，就变成下面这样了：

是不是感觉简单了很多？其实队列对数据处理的算法，也不简单，只是用队列做成数据处理的通用模版，下次碰到类似的需求，就能直接用了，用专业术语来说，就是代码的可移植性和复用性更强。

这只是队列其中一个应用，队列的本质是数据缓存，数据入列和出列遵循先进先出的规则。

就是先把数据存起来，等CPU有空闲时间，或者程序某些条件成立时，再把数据取出来处理。

基于这个特性，就能衍生出非常多实际应用。特别是处理需要确保数据顺序的应用中。

2. 什么场景要用队列？

我总结了几个自己最常用到的地方。

2.1 串口通信数据缓冲

单片机通过串口接收数据时，通常会使用一个队列来缓冲接收到的字节，这样可以确保数据在被主程序处理之前不会丢失。

2.2 音频处理

在音频播放或录音设备中，队列用于缓冲音频样本数据，实现轮流式播放或录音。 举个例子： 比如我们无际单片机特训营的项目6，WiFi&4G报警主机有语音提示功能，比如按下离家布防按键，会播放"离家布防"语音，按下在家布防按键，会播放"在家布防"语音。

如果我快速按下这两个按键，为了保证语音能完整播放，我就可以把按键事件，先丢进队列缓存，这样就能实现语音按照顺序完整的播放了。

2.3 任务调度和同步

在使用RTOS的系统中，队列用于任务间的消息传递和同步，支持复杂的任务调度。

2.4 按键输入处理

检测到按键事件后，可以先放入队列中，主程序可以按顺序处理这些事件，防止按键动作过快，导致按键事件丢失，目前我们项目就是采用这种方式。

2.5 ADC数据

我们采集的ADC数据，经过一定的处理后，也可以先丢进队列，以便在适当的时候再处理或分析。

2.6 固件升级数据流

固件升级的数据交互比较大，非常适合利用队列，保证数据完整性，我们项目6也有用到，在固件升级过程中，下载的固件数据块可以被放入队列中，然后按顺序写入闪存。 类似的应用还有非常多，总而言之，队列解决了我很多棘手的问题。

3. 队列原理

队列是一种线性的数据结构，它遵循先进先出（FIFO，First In First Out）的原则，即最先进入队列的数据将是最先被移除的数据。 在队列中，数据的入列通常在一端进行，称为队尾，数据的出列则在另一端进行，称为队头。 这种结构使得队列非常适合处理需要有序处理数据的场合。

我们可以把队列，想象成往一个双通的管道塞乒乓球，我们从左边往管道里面塞乒乓球，这个动作叫入列。 我们把乒乓球从管道右边取出来，这个动作叫出列。

在管道里的乒乓球会排成一条队形。 先进去的乒乓球就会先出来，这个就是队列里先进先出的规则。

乒乓球比作数据，那管道就是存储数据的缓存，管道能容纳几个乒乓球，就代表这个缓存能存储多少个数据，说白了就是数组的大小，上图这个队列，能存4个数据，就相当于Buff[4]这样。

队列的程序实现方式，是通过一个固定大小的数组，以及一个头指针，一个尾指针。 数组负责存储数据。 头指针负责数据出列时，要从哪个地址取出来。 尾指针负责数据入列时，要存到哪个地址。 所以，入列和出列的操作，就是两个指针，在数组里玩数据先进先出的算法。

4.队列的使用

不同的工程师，实现队列的代码是不一样的。 在没有丰富的项目经验前提下，或者在没有用过队列的前提下，不要为难自己必须能把队列算法写出来。

我刚开始，也是直接移植别人的队列程序，不断用在自己的项目上，经过几个项目熟练运用后，再研究队列算法实现的细节代码，自己再写几遍就通了。

所以，我们特训营的老铁们，刚开始不要自己写，先学会用，多举一反三，多应用到不同的场景和项目，用熟了再尝试自己写，这是很重要的学习顺序。

以我们无际单片机项目特训营的队列程序为例，一共有4个函数。

QueueEmpty(x)

清空队列函数，每次使用队列前，必须要把队列清空，清空函数里会让头指针和尾指针，默认指向一个有效地址，也就数组的第一个元素，否则会引起指针地址异常。

形参说明： x - 是一个队列结构体变量

QueueDataIn(x,y,z)

数据入列函数，就是把一个或多个字节数据，丢进指定的队列里。

形参说明：

x - 队列结构体变量

y - 数据地址

z - 要入列的数据数量，单位是字节。

注意：

①.入列的数据，只能是unsigned char类型。

②.如果队列满了，继续入列数据，会从最开始入列的数据位置，开始覆盖数据。

QueueDataOut(x,y)

数据出列函数，就是从指定队列里，取一个字节数据出来。

形参说明： x - 队列结构变量 y - 取出来的数据，要存放的地址

注意：我们出列函数，每次只能取一个字节数据。

QueueDataLen(x)

清空指定队列里面所有的数据。 形参说明： x - 队列结构变量

5. 视频演示队列用法

后面内容涉及一些代码和视频讲解，编辑起来不方便，可找我安排飞书，阅读起来体验感更好点。

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