ROS中订阅（Subscribe）最新消息以及对消息队列的浅谈

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ROS中订阅（Subscribe）最新消息以及对消息队列的浅谈

机器人应用中难免会遇到运算起来很费时间的操作，比如图像的特征提取、点云的匹配等等。有时候，不可避免地，我们需要在ROS的Subscriber的Callback回调函数中进行这些费时的操作。Subscriber所订阅的消息的发布频率可能是很高的，而这些操作的运算速度肯定达不到消息发布的速度。所以，如果我们要是没有取舍的对于每个消息都调用一次回调函数，那么势必会导致计算越来越不实时，很有可能当下在处理的还是几十秒以前的数据。所以，我们希望每次回调函数都处理当前时刻最新的一个消息，这就是我们的目标。

要达到这个目标有三点，第一点是要设置Publisher的queue_size等于1；第二点是要设置Subscriber的queue_size（消息队列大小）等于1；第三点非常重要，要设置Subscriber的buff_size（缓冲区大小）足够大，大于一个消息的大小。像这样：

# ROS Python
pcdpub = rospy.Publisher("lidardata", PointCloud, queue_size=1)
rospy.Subscriber("lidardata", PointCloud, self.pcd_resolve_callback,queue_size=1,buff_size=52428800)

解释：

• Subscriber和Publisher的消息队列起什么作用，队列的大小有什么影响？

  • 简单描述一下，Publisher的消息队列是为了缓存发布节点发布的消息，一旦队列中消息的数量超过了queue_size，那么最先进入队列的（最老的）消息被舍弃。Subscriber的消息队列是为了缓存节点接收到的信息，一旦自己处理的速度过慢，接收到的消息数量超过了queue_size，那么最先进入队列的（最老的）消息会被舍弃。所以，我们想只处理最新的消息，实际上只需要把两个queue_size都设置成1，那么系统不会缓存数据，自然处理的就是最新的消息。

• Subscriber有消息队列缓存消息了，为什么Publisher还要有消息队列？

  • 在我看来，Publisher的消息队列是一定要有的，因为ROS中发布节点往外发送消息是基于Topic发送，而不是直接向Subscriber订阅者发送，所以必须要有一个消息队列来存放发布的消息，以供订阅者来获取。而且这个消息队列的好处是在网络差、带宽小、延时高的时候，保证数据不容易丢失。

• 既然Publisher有消息队列了，为什么Subscriber还要有消息队列？

  • 这个问题比较难一点。我的理解是，由于ROS毕竟是分布式系统，Publisher和Subscriber不一定在同一台主机上，因此消息需要通过网络来交换。但是网络的性能时好时坏，如果Subscriber没有消息队列，那么每次运行Callback函数前都要先通过网络取回消息，然后才能处理。当网络很差时，就会让系统堵塞。而有消息队列的话，Subscriber就可以一边处理队列中的消息，一边通过网络缓存新的消息，而不用每次处理消息前都要临时去读一个回来。这样就增加了系统的可靠性。

• 为什么要设置缓冲区的大小？

  • 这个缓冲区的大小是指消息队列使用的缓冲区物理内存空间大小。如果这个空间小于一个消息所需要的空间，比如消息是一副图片或者一帧点云，数据量超过了缓冲区的大小。这个时候为了保证通信不发生错误，就会触发网络通信的保护机制，TCP的Buffer会为你缓存消息。这种机制就会导致每一帧消息都被完整的缓存下来，没有消息被丢弃，感觉上就像queue_size被设置成了无穷大。详细说明请参考：
    Ros subscriber not up to date
    rospy subscriber queue_size acting strange when buff_size is too small

• 消息队列的运行机制

  • 这里只能说是我的理解了，因为没有看过源代码。
  • 首先，发布节点把消息发布，消息进入Publisher的消息队列，同时通知订阅了该话题消息的Subscriber来取消息。
  • 其次，Subscriber来Publisher的消息队列里取消息，但取走的也是最老的消息，因为毕竟这是先入先出的队列。这也是为什么Publisher的消息队列的大小也要设置为1。
  • 最后，被取走的消息存放入了Subscriber的消息队列中，等待被Callback执行。如果Callback执行很慢，消息越堆越多，最老的消息会逐渐被顶替。
  • 当然，这里究竟是Subscriber来取消息，还是Publisher直接把消息推给Subscriber，我只是猜测，反正这里交换的消息肯定不是最新的消息，而是队列里最老的消息。