TencentOS-tiny中队列环形队列优先级队列的实现及使用

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了TencentOS-tiny中队列环形队列优先级队列的实现及使用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1. 什么是队列

队列（queue）是一种只能在一端插入元素、在另一端删除元素的数据结构，遵循「先入先出」（FIFO）的规则。

队列中有两个基本概念：

  • 队头指针（可变）：永远指向此队列的第一个数据元素；

  • 队尾指针（可变）：永远指向此队列的最后一个数据元素；

队列中的数据存储方式有两种：

① 基于静态连续内存（数组）存储，如图：② 基于动态内存（链表节点）存储，如图：

❝

后续都使用基于静态内存存储的队列讲解。

❞

队列提供两个统一的操作：

  • 「入队（enqueue）」

入队将一个元素添加到队尾，并将队尾指针+1后移，如图：

  • 「出队（dequeue）」

出队将从队头中取出一个元素，并将队头指针+1后移，如图：

2. 环形队列

2.1. 环形队列的特点

普通队列的入队操作将队尾指针后移+1，出队操作将队头指针后移+1，操作几次之后会发现队头指针和队尾指针都跑到缓冲区的尾部去了：这就导致了前面的内存空间全被浪费，如果要重新恢复使用，则需要进行元素和指针的移动：显然这种队列使用方式太不方便了，所以就诞生了环形队列：「不用搬移元素和指针，一直可以重复利用这段内存空间」。

2.2. 环形队列的实现

TencentOS-tiny中环形队列的实现在tos_ring_queue.h和tos_ring_queue.c中。

typedef struct k_ring_queue_st {
    knl_obj_t   knl_obj;

    uint16_t    head; //队头指针
    uint16_t    tail; //队尾指针
    size_t      total; //记录队列中元素的个数

    uint8_t    *pool; //队列底层的存储结构（一个数组）

    size_t      item_size; //队列中每个元素的大小，单位：字节
    size_t      item_cnt; //队列中可以容纳的元素数量
} k_ring_q_t;

环形队列初始化，将队头指针和队尾置0：

__API__ k_err_t tos_ring_q_create(k_ring_q_t *ring_q, void *pool, size_t item_cnt, size_t item_size)
{
 //省略了参数合法性检查代码
    ring_q->head        = 0u;
    ring_q->tail        = 0u;
    ring_q->total       = 0;

    ring_q->pool        = (uint8_t *)pool;
    ring_q->item_size   = item_size;
    ring_q->item_cnt    = item_cnt;

    return K_ERR_NONE;
}

判断环形队列是否为满或者为空：

__API__ int tos_ring_q_is_empty(k_ring_q_t *ring_q)
{
    TOS_CPU_CPSR_ALLOC();
    int is_empty = K_FALSE;

    //省略了参数合法性检查代码
    TOS_CPU_INT_DISABLE();
    is_empty = (ring_q->total == 0 ? K_TRUE : K_FALSE);
    TOS_CPU_INT_ENABLE();

    return is_empty;
}

__API__ int tos_ring_q_is_full(k_ring_q_t *ring_q)
{
    TOS_CPU_CPSR_ALLOC();
    int is_full = K_FALSE;

  //省略了参数合法性检查代码
    TOS_CPU_INT_DISABLE();
    is_full = (ring_q->total == ring_q->item_cnt ? K_TRUE : K_FALSE);
    TOS_CPU_INT_ENABLE();

    return is_full;
}

环形队列入队操作的API如下：

__API__ k_err_t tos_ring_q_enqueue(k_ring_q_t *ring_q, void *item, size_t item_size);

在此API中，入队操作的实现如下：

__STATIC_INLINE__ void ring_q_item_increase(k_ring_q_t *ring_q)
{
    ring_q->tail = RING_NEXT(ring_q, ring_q->tail);
    ++ring_q->total;
}

环形队列出队操作的API如下：

__API__ k_err_t tos_ring_q_dequeue(k_ring_q_t *ring_q, void *item, size_t *item_size);

在此API中，出队操作的实现如下：

__STATIC_INLINE__ void ring_q_item_decrease(k_ring_q_t *ring_q)
{
    ring_q->head = RING_NEXT(ring_q, ring_q->head);
    --ring_q->total;
}

在入队和出队操作的时候都使用了 RING_NEXT 宏，用来获取在环形队列中的下一个位置：

#define RING_NEXT(ring_q, index)    ((index + 1) % ring_q->item_cnt)

2.3. 环形队列使用Demo

编写如下的测试代码：

#include <tos_k.h>

typedef struct item_st {
    int a;
    int b;
    int c;
} item_t;

#define RING_QUEUE_ITEM_MAX 5

uint8_t ring_q_buffer[RING_QUEUE_ITEM_MAX * sizeof(item_t)];

k_ring_q_t ring_q;

void entry_task_demo(void *arg)
{
    k_err_t err;
    int i;
    item_t item;
    size_t item_size;
    
    //创建环形队列
    tos_ring_q_create(&ring_q, ring_q_buffer, RING_QUEUE_ITEM_MAX, sizeof(item_t));
    
    //数据入队
    for(i = 0;i < RING_QUEUE_ITEM_MAX; i++)
    {
        item.a = i;
        item.b = i;
        item.c = i;
        
        err = tos_ring_q_enqueue(&ring_q, &item, sizeof(item_t));
        if(err == K_ERR_NONE)
        {
            printf("enqueue a item: %d %d %d\\n", item.a, item.b, item.c);
        }
        else
        {
            printf("ring queue enqueue fail,err = %d\\r\\n", err);
        }
    }
    
    //队列满之后，继续入队
    err = tos_ring_q_enqueue(&ring_q, &item, sizeof(item_t));
    if(err == K_ERR_RING_Q_FULL)
    {
        printf("ring queue is full: %s\\n", tos_ring_q_is_full(&ring_q) ? "TRUE" : "FALSE");
    }
    else
    {
        printf("ring queue enqueue fail,err = %d\\r\\n", err);
    }
    
    //数据出队
    for(i = 0; i < RING_QUEUE_ITEM_MAX; ++i)
    {
        err = tos_ring_q_dequeue(&ring_q, &item, &item_size);
        if(err == K_ERR_NONE)
        {
            printf("dequeue a item(%d bytes): %d %d %d\\n", item_size, item.a, item.b, item.c);
        }
        else
        {
            printf("ring queue dequeue fail,err = %d\\r\\n", err);
        }
    }
    
    //没有数据后继续出队
    err = tos_ring_q_dequeue(&ring_q, &item, &item_size);
    if(err == K_ERR_RING_Q_EMPTY)
    {
        printf("ring queue is empty: %s\\n", tos_ring_q_is_empty(&ring_q) ? "TRUE" : "FALSE");
    }
    else
    {
        printf("ring queue dequeue fail,err = %d\\r\\n", err);
    }
    

}

运行结果如下：

3. 优先级队列

3.1. 优先级队列的特点

优先级队列也是一种基于队列的数据结构，但是它「不遵循FIFO」，而是按照每个元素的优先级进行出队：「最高优先级的先出队」。

3.2. 优先级队列的实现

TencentOS-tiny中环形队列的实现在tos_prio_queue.h和tos_prio_queue.c中。

优先级队列在数据入队的时候，会按照入队元素的优先级进行一次排序，「将优先级值最小（优先级最高的元素）放在队头」，出队的时候只需要取第一个元素即可。

正是因为这种特性，优先级队列的底层存储结构不能使用数组（排序太麻烦），而是使用了二项堆的数据结构。

❝

二项堆是一种二叉树集合的数据结构，在本文中不再深入讲解，有兴趣的读者可以自己搜索阅读。

❞

下面只给出优先级队列的API，「理解其规则，会用即可」。

  • 创建优先级队列

__API__ k_err_t tos_prio_q_create(k_prio_q_t *prio_q, void *mgr_array, void *pool, size_t item_cnt, size_t item_size);
参数描述
prio_q优先级队列控制块指针
mgr_array提供一块缓冲区用于内部管理
pool队列的缓冲区
item_cnt队列可容纳的元素数量
item_size每个元素的大小，单位字节

其中用于内部管理的缓存区大小可以使用宏定义来计算，比如有5个元素的管理缓冲区大小：

uint8_t mgr_pool[TOS_PRIO_Q_MGR_ARRAY_SIZE(5)];

  • 元素入队

__API__ k_err_t tos_prio_q_enqueue(k_prio_q_t *prio_q, void *item, size_t item_size, k_prio_t prio);

其中优先级的值遵循：数值越小，优先级越高。

  • 元素出队

__API__ k_err_t tos_prio_q_dequeue(k_prio_q_t *prio_q, void *item, size_t *item_size, k_prio_t *prio);

其中prio需要传入一个地址，用于记录出队元素的优先级。

3.3. 优先级队列使用Demo

#include <tos_k.h>

typedef struct item_st {
    int a;
    int b;
    int c;
} item_t;

#define PRIO_QUEUE_ITEM_MAX 5

uint8_t prio_q_buffer[PRIO_QUEUE_ITEM_MAX * sizeof(item_t)];
uint8_t mgr_pool[TOS_PRIO_Q_MGR_ARRAY_SIZE(PRIO_QUEUE_ITEM_MAX)];

k_prio_q_t prio_q;

void entry_task_demo(void *arg)
{
    k_err_t err;
    int i;
    item_t item;
    size_t item_size;
    k_prio_t item_prio;
    
    //创建优先级队列
    tos_prio_q_create(&prio_q, mgr_pool, prio_q_buffer, PRIO_QUEUE_ITEM_MAX, sizeof(item_t));
    
    //数据入队
    for(i = PRIO_QUEUE_ITEM_MAX;i > 0; i--)
    {
        item.a = i;
        item.b = i;
        item.c = i;
        
        err = tos_prio_q_enqueue(&prio_q, &item, sizeof(item), i);
        if(err == K_ERR_NONE)
        {
            printf("enqueue a item: %d %d %d\\n", item.a, item.b, item.c);
        }
        else
        {
            printf("prio queue enqueue fail,err = %d\\r\\n", err);
        }
    }
    
    //队列满之后，继续入队
    err = tos_prio_q_enqueue(&prio_q, &item, sizeof(item_t), i);
    if(err == K_ERR_PRIO_Q_FULL)
    {
        printf("prio queue is full: %s\\n", tos_prio_q_is_full(&prio_q) ? "TRUE" : "FALSE");
    }
    else
    {
        printf("prio queue enqueue fail,err = %d\\r\\n", err);
    }
    
    //数据出队
    for(i = 0; i < PRIO_QUEUE_ITEM_MAX; ++i)
    {
        err = tos_prio_q_dequeue(&prio_q, &item, &item_size, &item_prio);
        if(err == K_ERR_NONE)
        {
            printf("dequeue a item[piro %d]: %d %d %d\\n", item_prio, item.a, item.b, item.c);
        }
        else
        {
            printf("prio queue dequeue fail,err = %d\\r\\n", err);
        }
    }
    
    //没有数据后继续出队
    err = tos_prio_q_dequeue(&prio_q, &item, &item_size, &item_prio);
    if(err == K_ERR_PRIO_Q_EMPTY)
    {
        printf("prio queue is empty: %s\\n", tos_prio_q_is_empty(&prio_q) ? "TRUE" : "FALSE");
    }
    else
    {
        printf("prio queue dequeue fail,err = %d\\r\\n", err);
    }
}

运行结果为：

4. 总结

① 普通队列是一种只能在一端入队，在一端出队的数据结构，规则：FIFO。

② 环形队列对内存空间的利用率最高，使用最多，规则：FIFO。

③ 优先级队列不遵循FIFO，每个元素都有自己的优先级，规则：优先级最高的元素先出队。

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数据结构(10)---队列之环形队列