2. ROS2通信基础
ROS2 的通信体系并不是“一个话题走天下”，而是由多种通信原语共同构成：节点是运行单元，话题、服务、动作是三种面向不同交互模式的通信方式，参数用于运行时配置，执行器负责调度回调，回调组则决定并发边界。理解这些对象之间的关系，是后续掌握 DDS 与 QoS 的前提。
一、核心对象与通信原语
ROS2 中一切可运行的计算单元都是节点（Node）。节点通过发布/订阅、请求/响应、目标/反馈/结果等方式交换数据。它们底层都建立在 DDS 的发布订阅模型之上，但抽象层级和语义不同。
- 话题（Topic）：异步、单向、多对多，适合高频传感器流、状态广播。发布者与订阅者解耦，通过消息类型匹配。
- 服务（Service）：同步、双向、一对一，适合“请求—应答”式短操作，如查询参数、触发标定。
- 动作（Action）：长时任务、可取消、带周期反馈，适合导航、抓取、轨迹执行等需要过程监控的场景。
- 参数（Parameter）：节点级键值配置，支持声明、读取、设置与变更通知，常用于阈值、增益、模式开关。
- 执行器（Executor）：负责从等待集中取出就绪回调并执行，决定单线程或多线程调度。
- 回调组（Callback Group）：把回调划分到互斥组或可重入组，控制并发与死锁风险。
下图给出这些对象在同一个节点内的结构关系，以及它们与 DDS 的映射位置。
二、三种通信方式的选型方法
选择通信方式时，先问三个问题：是否需要应答？任务是否长时？是否需要过程反馈？据此可得到清晰的判断路径。
- 只需持续广播数据、不关心谁接收：用话题。
- 需要一次明确的请求并等待结果，且耗时短：用服务。
- 任务耗时长、需要中途反馈、可能取消：用动作。
- 只是配置项、阈值、模式：用参数，不要为它单独建话题。
| 通信方式 | 方向 | 典型时延 | 是否可取消 | 典型场景 |
|---|---|---|---|---|
| 话题 Topic | 单向、多对多 | 微秒~毫秒 | 否 | 激光雷达、IMU、图像流 |
| 服务 Service | 双向、一对一 | 毫秒级 | 否 | 查询状态、触发标定 |
| 动作 Action | 双向、带反馈 | 秒~分钟 | 是 | 导航、抓取、轨迹执行 |
| 参数 Parameter | 节点级配置 | — | — | 增益、阈值、模式开关 |
三、执行器与回调组的并发控制
执行器决定“谁来跑回调”，回调组决定“哪些回调不能同时跑”。默认情况下，一个节点使用单线程执行器，所有回调串行执行；一旦某个回调阻塞，整个节点都会卡住。多线程执行器可以并发执行不同回调组中的回调，但同一互斥组内仍然串行。
// 创建互斥回调组，保证同一组内回调不并发
auto cb_group = create_callback_group(
rclcpp::CallbackGroupType::MutuallyExclusive);
// 订阅时绑定回调组
rclcpp::SubscriptionOptions sub_opt;
sub_opt.callback_group = cb_group;
auto sub = create_subscription<std_msgs::msg::String>(
"chatter", 10,
[](std_msgs::msg::String::SharedPtr msg) { /* ... */ },
sub_opt);
// 多线程执行器
rclcpp::executors::MultiThreadedExecutor exec;
exec.add_node(node);
exec.spin();
经验法则：高频传感器回调放入独立可重入组，参数服务与状态查询放入互斥组，长时任务回调不要与高频回调共享同一互斥组，否则会互相拖慢。
四、DDS 在 ROS2 中的角色
ROS2 并不自己实现网络传输，而是通过 RMW（ROS Middleware）接口把话题、服务、动作映射到 DDS 的 DataWriter/DataReader。DDS 负责发现、匹配、序列化、传输与 QoS 执行。也就是说，ROS2 定义语义，DDS 负责通信质量。
- 话题 → DDS Topic，发布者 → DataWriter，订阅者 → DataReader。
- 服务 → 两个 DDS Topic（请求与应答），动作 → 一组 Topic 加状态机。
- 参数 → 基于服务的配置接口，最终仍落到 DDS 通信。
- QoS 策略（可靠性、历史、深度、寿命、截止时间）由 DDS 在端点匹配时协商执行。
常见误区：认为“话题通了就万事大吉”。实际上，若发布端与订阅端 QoS 不兼容（如 RELIABLE 对 BEST_EFFORT），DDS 会拒绝匹配，表现为“节点在、话题在、就是收不到数据”。排障时应先看
ros2 topic info --verbose 中的 QoS 与端点匹配情况。
五、案例与复盘
某移动机器人节点同时订阅激光雷达（10 Hz）、IMU（100 Hz），并提供参数设置服务。最初使用单线程执行器，结果参数设置请求经常等待数百毫秒，因为高频 IMU 回调占满了执行线程。复盘后做了三件事：
- 把 IMU 与激光回调放入两个独立可重入组，避免互相阻塞。
- 参数服务放入互斥组，保证配置修改的原子性。
- 改用 MultiThreadedExecutor，并确认各组之间没有共享未加锁状态。