ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理（下）

注釋表明Stream是個(gè)基類(lèi)，輸入輸出流IStream和OStream都繼承自它。

Stream的成員變量data_是個(gè)指針，指向序列化的字節(jié)流開(kāi)始的位置，它的類(lèi)型是uint8_t。

在Ubuntu系統(tǒng)中，uint8_t的定義是typedef unsigned char uint8_t;

所以u(píng)int8_t就是一個(gè)字節(jié)，可以用size_of()函數(shù)檢驗(yàn)。data_指向的空間就是保存字節(jié)流的。

輸出流類(lèi)OStream用來(lái)序列化一個(gè)對(duì)象，它引用了serialize函數(shù)，如下。

struct OStream : public Stream
{
  static const StreamType stream_type = stream_types::Output;
  OStream(uint8_t* data, uint32_t count) : Stream(data, count) {}
  /* Serialize an item to this output stream*/
  template<typename T>
  ROS_FORCE_INLINE void next(const T& t)
{
    serialize(*this, t);
  }
  template<typename T>
  ROS_FORCE_INLINE OStream& operator<<(const T& t)
  {
    serialize(*this, t);
    return *this;
  }
};

輸入流類(lèi)IStream用來(lái)反序列化一個(gè)字節(jié)流，它引用了deserialize函數(shù)，如下。

struct ROSCPP_SERIALIZATION_DECL IStream : public Stream
{
  static const StreamType stream_type = stream_types::Input;
  IStream(uint8_t* data, uint32_t count) : Stream(data, count) {}
  /* Deserialize an item from this input stream */
  template<typename T>
  ROS_FORCE_INLINE void next(T& t)
{
    deserialize(*this, t);
  }
  template<typename T>
  ROS_FORCE_INLINE IStream& operator>>(T& t)
  {
    deserialize(*this, t);
    return *this;
  }
};

自然，serialize函數(shù)和deserialize函數(shù)就是改變數(shù)據(jù)形式的地方，它們的定義在比較靠前的地方。它們都接收兩個(gè)模板，都是內(nèi)聯(lián)函數(shù)，然后里面沒(méi)什么東西，只是又調(diào)用了Serializer類(lèi)的成員函數(shù)write和read。所以，serialize和deserialize函數(shù)就是個(gè)二道販子。

// Serialize an object.  Stream here should normally be a ros::serialization::OStream
template<typename T, typename Stream>
inline void serialize(Stream& stream, const T& t)
{
  Serializer

所以，我們來(lái)分析Serializer類(lèi)，如下。我們發(fā)現(xiàn)，write和read函數(shù)又調(diào)用了類(lèi)型里的serialize函數(shù)和deserialize函數(shù)。

頭別暈，這里的serialize和deserialize函數(shù)跟上面的同名函數(shù)不是一回事。

注釋中說(shuō)：“Specializing the Serializer class is the only thing you need to do to get the ROS serialization system to work with a type”（要想讓ROS的序列化功能適用于其它的某個(gè)類(lèi)型，你唯一需要做的就是特化這個(gè)Serializer類(lèi)）。

這就涉及到的另一個(gè)知識(shí)點(diǎn)——模板特化（template specialization）。

template<typename T> struct Serializer
{
  // Write an object to the stream.  Normally the stream passed in here will be a ros::serialization::OStream
  template<typename Stream>
  inline static void write(Stream& stream, typename boost::call_traits
{
    t.serialize(stream.getData(), 0);
  }
   // Read an object from the stream.  Normally the stream passed in here will be a ros::serialization::IStream
  template<typename Stream>
  inline static void read(Stream& stream, typename boost::call_traits
{
    t.deserialize(stream.getData());
  }
  // Determine the serialized length of an object.
  inline static uint32_t serializedLength(typename boost::call_traits
{
    return t.serializationLength();
  }
};

接著又定義了一個(gè)帶參數(shù)的宏函數(shù)ROS_CREATE_SIMPLE_SERIALIZER(Type)，然后把這個(gè)宏作用到了ROS中的10種基本數(shù)據(jù)類(lèi)型，分別是：uint8_t, int8_t, uint16_t, int16_t, uint32_t, int32_t, uint64_t, int64_t, float, double。

說(shuō)明這10種數(shù)據(jù)類(lèi)型的處理方式都是類(lèi)似的?？吹竭@里大家應(yīng)該明白了，write和read函數(shù)都使用了memcpy函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的移動(dòng)。

注意宏定義中的template<>語(yǔ)句，這正是模板特化的標(biāo)志，關(guān)鍵詞template后面跟一對(duì)尖括號(hào)。

關(guān)于模板特化可以看這里。

#define ROS_CREATE_SIMPLE_SERIALIZER(Type) \\
  template<> struct Serializer \\
  { \\
    template

對(duì)于其它類(lèi)型的數(shù)據(jù)，例如bool、std::string、std::vector、ros::Time、ros::Duration、boost::array等等，它們各自的處理方式有細(xì)微的不同，所以不再用上面的宏函數(shù)，而是用模板特化的方式每種單獨(dú)定義，這也是為什么serialization.h這個(gè)文件這么冗長(zhǎng)。

對(duì)于int、double這種單個(gè)元素的數(shù)據(jù)，直接用上面特化的Serializer類(lèi)中的memcpy函數(shù)實(shí)現(xiàn)序列化。

對(duì)于vector、array這種多個(gè)元素的數(shù)據(jù)類(lèi)型怎么辦呢？方法是分成幾種情況，對(duì)于固定長(zhǎng)度簡(jiǎn)單類(lèi)型的（fixed-size simple types），還是用各自特化的Serializer類(lèi)中的memcpy函數(shù)實(shí)現(xiàn)，沒(méi)啥太大區(qū)別。

對(duì)于固定但是類(lèi)型不簡(jiǎn)單的（fixed-size non-simple types）或者既不固定也不簡(jiǎn)單的（non-fixed-size, non-simple types）或者固定但是不簡(jiǎn)單的（fixed-size, non-simple types），用for循環(huán)遍歷，一個(gè)元素一個(gè)元素的單獨(dú)處理。

那怎么判斷一個(gè)數(shù)據(jù)是不是固定是不是簡(jiǎn)單呢？這是在roscpp_traits文件夾中的message_traits.h完成的。

其中采用了萃取Type Traits，這是相對(duì)高級(jí)一點(diǎn)的編程技巧了，筆者也不太懂。

對(duì)序列化的介紹暫時(shí)就到這里了，有一些細(xì)節(jié)還沒(méi)講，等筆者看懂了再補(bǔ)。

2、消息訂閱發(fā)布

2.1ROS的本質(zhì)

如果問(wèn)ROS的本質(zhì)是什么，或者用一句話概括ROS的核心功能。那么，筆者認(rèn)為ROS就是個(gè)通信庫(kù)，讓不同的程序節(jié)點(diǎn)能夠相互對(duì)話。

很多文章和書(shū)籍在介紹ROS是什么的時(shí)候，經(jīng)常使用“ROS是一個(gè)通信框架”這種描述。

但是筆者認(rèn)為這種描述并不是太合適?！翱蚣堋笔莻€(gè)對(duì)初學(xué)者非常不友好的抽象詞匯，用一個(gè)更抽象難懂的概念去解釋一個(gè)本來(lái)就不清楚的概念，對(duì)初學(xué)者起不到任何幫助。

而且筆者嚴(yán)重懷疑絕大多數(shù)作者能對(duì)機(jī)器人的本質(zhì)或者軟件框架能有什么太深的理解，他們的見(jiàn)解不會(huì)比你我深刻多少。

既然提到本質(zhì)，那我們就深入到最基本的問(wèn)題。

在接觸無(wú)窮的細(xì)節(jié)之前，我們不妨先做一個(gè)哲學(xué)層面的思考。

那就是，為什么ROS要解決通信問(wèn)題？

機(jī)器人涉及的東西千千萬(wàn)萬(wàn)，機(jī)械、電子、軟件、人工智能無(wú)所不包，為什么底層的設(shè)計(jì)是一套用來(lái)通信的程序而不是別的東西。

到目前為止，我還沒(méi)有看到有人討論過(guò)這個(gè)問(wèn)題。這要回到機(jī)器人或者智能的本質(zhì)。

當(dāng)我們?cè)谡務(wù)摍C(jī)器人的時(shí)候，最首要的問(wèn)題不是硬件設(shè)計(jì)，而是對(duì)信息的處理。一個(gè)機(jī)器人需要哪些信息，信息從何而來(lái)，如何傳遞，又被誰(shuí)使用，這些才是最重要的問(wèn)題。

人類(lèi)飛不鳥(niǎo)，游不過(guò)魚(yú)，跑不過(guò)馬，力不如牛，為什么卻自稱(chēng)萬(wàn)物之靈呢。

因?yàn)槿擞写竽X，而且人類(lèi)大腦處理的信息更多更復(fù)雜。

拋開(kāi)物質(zhì)，從信息的角度看，人與動(dòng)物、與機(jī)器人存在很多相似的地方。

機(jī)器人由許多功能模塊組成，它們之間需要協(xié)作才能形成一個(gè)有用的整體，機(jī)器人與機(jī)器人之間也需要協(xié)作才能形成一個(gè)有用的系統(tǒng)，要協(xié)作就離不開(kāi)通信。

需要什么樣的信息以及信息從何而來(lái)不是ROS首先關(guān)心的，因?yàn)檫@取決于機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景。

因此，ROS首先要解決的是通信的問(wèn)題，即如何建立通信、用什么方式通信、通信的格式是什么等等一系列具體問(wèn)題。

帶著這些問(wèn)題，我們看看ROS是如何設(shè)計(jì)的。

2.2客戶(hù)端庫(kù)

實(shí)現(xiàn)通信的代碼在ros_comm包中，如下。

其中clients文件夾一共有127個(gè)文件，看來(lái)是最大的包了。

現(xiàn)在我們來(lái)到了ROS最核心的地帶。