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ROS 2系统Callback Group概念笔记

news 2025/8/21 8:41:53

核心概念

Callback Group（回调组）是一个管理一个或多个回调函数执行规则的容器。它决定了这些回调函数是如何被节点（Node）的 executor 调度的，特别是当多个回调函数同时就绪时，它们之间是并行执行还是必须串行执行。

理解回调组的关键在于理解它与 Executor 的交互。Executor 是 ROS 2 中负责检查订阅、定时器、服务、动作服务器等是否就绪，并调用其对应回调函数的组件。

为什么需要 Callback Group？

例如一个节点，它有以下组件：

一个激光雷达（Lidar）订阅者：回调函数 lidar_callback，处理高频、数据量大的点云数据。
一个键盘输入订阅者：回调函数 keyboard_callback，处理用户偶尔的按键输入。
一个服务服务器：回调函数 save_data_service_callback，处理保存数据的请求。

如果没有回调组，所有回调函数默认都在同一个组里。当 Executor 发现多个回调函数同时就绪时（例如，正在处理激光数据时用户按下了键），它会将它们全部放入一个队列，然后逐个执行。

这可能会导致一个问题：处理庞大的激光雷达数据可能会阻塞 keyboard_callback 或 save_data_service_callback 很长时间，导致用户输入或服务请求响应非常迟钝，体验很差。

回调组就是为了解决这种回调函数之间的相互干扰问题而设计的。

回调组的类型

ROS 2 主要提供了两种类型的回调组：

1. Mutually Exclusive (互斥型) - 默认类型

行为：属于同一个互斥组的所有回调函数不能同时执行。Executor 会像处理一个队列一样，一次只执行其中一个。
类比：单线程。任务一个接一个地做。
适用场景：这是最常用也是默认的类型。适用于回调函数之间没有严格的实时性要求，或者它们会访问共享资源需要互斥锁保护的情况。

2. Reentrant (可重入型)

行为：属于同一个可重入组的所有回调函数可以同时被执行。Executor 会尽可能同时调用它们（如果系统有多个CPU核心，则真正并行）。
警告：使用此类型需要非常小心。你必须确保回调函数是线程安全的。如果它们会访问共享的变量或资源，你必须自己使用锁（如 std::mutex）来保护，否则会导致数据竞争和未定义行为。
类比：多线程。多个任务可以同时进行。
适用场景：适用于那些相互独立、没有共享数据、且对实时性要求很高的回调函数。例如，一个控制电机的高频定时器回调和一个发布状态的低频定时器回调。

使用回调组

你需要在创建订阅者、定时器、服务等之前先创建回调组，然后在创建这些对象时将回调组作为参数传入。

以下是 C++ 和 Python 的示例代码：

C++ 示例

#include “rclcpp/rclcpp.hpp”class MyNode : public rclcpp::Node {
public:MyNode() : Node(”my_node”) {// 1. 创建回调组// 互斥型 (默认就是这个，显式写出更清晰)mutually_exclusive_group_ = this- >create_callback_group(rclcpp::CallbackGroupType::MutuallyExclusive);// 可重入型reentrant_group_ = this- >create_callback_group(rclcpp::CallbackGroupType::Reentrant);// 2. 设置选项，在创建对象时指定所属的回调组rclcpp::SubscriptionOptions options;options.callback_group = mutually_exclusive_group_;// 创建订阅者，并指定它属于 mutually_exclusive_group_lidar_sub_ = this- >create_subscription< sensor_msgs::msg::LaserScan >(”/scan”, 10,std::bind(&MyNode::lidar_callback, this, std::placeholders::_1),options); // 传入 options// 对于不需要特殊选项的对象，可以直接传递 callback_group 参数// 这个定时器属于 reentrant_group_，可以和上面的订阅者并行执行timer_ = this- >create_wall_timer(std::chrono::seconds(1),std::bind(&MyNode::timer_callback, this),reentrant_group_); // 直接传入回调组}private:void lidar_callback(const sensor_msgs::msg::LaserScan::SharedPtr msg) {// 处理激光数据，可能很耗时}void timer_callback() {// 定时执行的任务}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;
}

回调组与执行器（Executor）的配合

SingleThreadedExecutor：即使是可重入组，回调函数也无法真正并行，因为只有一个线程。但 Executor 会通过技巧（如在等待服务响应时切换到其他可执行回调）来模拟并发，提高响应效率。
MultiThreadedExecutor：这是发挥可重入组威力的地方。该执行器内部有一个线程池。当一个可重入组有多个回调就绪时，执行器可以从线程池中取出多个线程来真正并行地执行它们。

最佳实践：如果你使用了可重入回调组，通常应该配合 MultiThreadedExecutor 来使用，以实现真正的并行处理。

总结

特性	Mutually Exclusive (互斥)	Reentrant (可重入)
执行方式	串行	并行
线程安全	不需要额外考虑（默认安全）	必须自行保证线程安全
性能	可能因长回调导致阻塞	响应性更好，资源利用率更高
适用场景	默认选择，共享资源需保护	实时性要求高，回调间完全独立