ROS机器人操作系统的实现原理（上）

本文介绍ROS机器人操作系统（Robot Operating System）的实现原理，从最底层分析ROS代码是如何实现的。

1、序列化

把通信的内容（也就是消息message）序列化是通信的基础，所以我们先研究序列化。

尽管笔者从事机器人学习和研发很长时间了，但是在研究ROS的过程中，“序列化”这个词还是这辈子第一次听到。

所以可想而知很多人在看到“把一个消息序列化”这样的描述时是如何一脸懵逼。

但其实序列化是一个比较常见的概念，你虽然不知道它但一定接触过它。

下面我们先介绍“序列化”的一些常识，然后解释ROS里的序列化是怎么做的？

1.1什么是序列化？

“序列化”（Serialization ）的意思是将一个对象转化为字节流。

这里说的对象可以理解为“面向对象”里的那个对象，具体的就是存储在内存中的对象数据。

与之相反的过程是“反序列化”（Deserialization ）。

虽然挂着机器人的羊头，但是后面的介绍全部是计算机知识，跟机器人一丁点关系都没有，序列化就是一个纯粹的计算机概念。

序列化的英文Serialize就有把一个东西变成一串连续的东西之意。

形象的描述，数据对象是一团面，序列化就是将面团拉成一根面条，反序列化就将面条捏回面团。

另一个形象的类比是我们在对话或者打电话时，一个人的思想转换成一维的语音，然后在另一个人的头脑里重新变成结构化的思想，这也是一种序列化。

面对序列化，很多人心中可能会有很多疑问。

首先，为什么要序列化？或者更具体的说，既然对象的信息本来就是以字节的形式储存在内存中，那为什么要多此一举把一些字节数据转换成另一种形式的、一维的、连续的字节数据呢？

如果我们的程序在内存中存储了一个数字，比如25。那要怎么传递25这个数字给别的程序节点或者把这个数字永久存储起来呢？

很简单，直接传递25这个数字（的字节表示，即0X19，当然最终会变成二进制表示11001以高低电平传输存储）或者直接把这个数字（的字节表示）写进硬盘里即可。

所以，对于本来就是连续的、一维的、一连串的数据（例如字符串），序列化并不需要做太多东西，其本质是就是由内存向其它地方拷贝数据而已。

所以，如果你在一个序列化库里看到memcpy函数不用觉得奇怪，因为你知道序列化最底层不过就是在操作内存数据而已（还有些库使用了流的ostream.rdbuf()->sputn函数）。

可是实际程序操作的对象很少是这么简单的形式，大多数时候我们面对的是包含不同数据类型（int、double、string）的复杂数据结构（比如vector、list），它们很可能在内存中是不连续存储的而是分散在各处。比如ROS的很多消息都包含向量。

数据中还有各种指针和引用。而且，如果数据要在运行于不同架构的计算机之上的、由不同编程语言所编写的节点程序之间传递，那问题就更复杂了，它们的字节顺序endianness规定有可能不一样，基本数据类型（比如int）的长度也不一样（有的int是4个字节、有的是8个字节）。

这些都不是通过简单地、原封不动地复制粘贴原始数据就能解决的。这时候就需要序列化和反序列化了。

所以在程序之间需要通信时（ROS恰好就是这种情况），或者希望保存程序的中间运算结果时，序列化就登场了。

另外，在某种程度上，序列化还起到统一标准的作用。

我们把被序列化的东西叫object（对象），它可以是任意的数据结构或者对象：结构体、数组、类的实例等等。

把序列化后得到的东西叫archive，它既可以是人类可读的文本形式，也可以是二进制形式。

前者比如JSON和XML，这两个是网络应用里最常用的序列化格式，通过记事本就能打开阅读；

后者就是原始的二进制文件，比如后缀名是bin的文件，人类是没办法直接阅读一堆的0101或者0XC9D23E72的。

序列化算是一个比较常用的功能，所以大多数编程语言（比如C++、Python、Java等）都会附带用于序列化的库，不需要你再去造轮子。

以C++为例，虽然标准STL库没有提供序列化功能，但是第三方库Boost提供了[ 2 ]谷歌的protobuf也是一个序列化库，还有Fast-CDR，以及不太知名的Cereal，Java自带序列化函数，python可以使用第三方的pickle模块实现。

总之，序列化没有什么神秘的，用户可以看看这些开源的序列化库代码，或者自己写个小程序试试简单数据的序列化，例如这个例子，或者这个，有助于更好地理解ROS中的实现。

1.2ROS中的序列化实现

理解了序列化，再回到ROS。我们发现，ROS没有采用第三方的序列化工具，而是选择自己实现，代码在roscpp_core项目下的roscpp_serialization中，见下图。这个功能涉及的代码量不是很多。

为什么ROS不使用现成的序列化工具或者库呢？可能ROS诞生的时候（2007年），有些序列化库可能还不存在（protobuf诞生于2008年），更有可能是ROS的创造者认为当时没有合适的工具。

1.2.1serialization.h

核心的函数都在serialization.h里，简而言之，里面使用了C语言标准库的memcpy函数把消息拷贝到流中。

下面来看一下具体的实现。

序列化功能的特点是要处理很多种数据类型，针对每种具体的类型都要实现相应的序列化函数。

为了尽量减少代码量，ROS使用了模板的概念，所以代码里有一堆的template。

从后往前梳理，先看Stream这个结构体吧。在C++里结构体和类基本没什么区别，结构体里也可以定义函数。

Stream翻译为流，流是一个计算机中的抽象概念，前面我们提到过字节流，它是什么意思呢？

在需要传输数据的时候，我们可以把数据想象成传送带上连续排列的一个个被传送的物体，它们就是一个流。

更形象的，可以想象磁带或者图灵机里连续的纸带。在文件读写、使用串口、网络Socket通信等领域，流经常被使用。例如我们常用的输入输出流：

cout<<"helllo"; 由于使用很多，流的概念也在演变。想了解更多可以看这里。

struct Stream
{
  // Returns a pointer to the current position of the stream
  inline uint8_t* getData() { return data_; }
  // Advances the stream, checking bounds, and returns a pointer to the position before it was advanced.
  // \\throws StreamOverrunException if len would take this stream past the end of its buffer
  ROS_FORCE_INLINE uint8_t* advance(uint32_t len)
{
    uint8_t* old_data = data_;
    data_ += len;
    if (data_ > end_)
    {
      // Throwing directly here causes a significant speed hit due to the extra code generated for the throw statement
      throwStreamOverrun();
    }
    return old_data;
  }
  // Returns the amount of space left in the stream
  inline uint32_t getLength() { return static_cast<uint32_t>(end_ - data_); }
  
protected:
  Stream(uint8_t* _data, uint32_t _count) : data_(_data), end_(_data + _count) {}


private:
  uint8_t* data_;
  uint8_t* end_;
};